爱因斯坦(29)

二九

　　“观察者”的运用和实验物理学大师

　　爱因斯坦在普林斯顿的书房外面有一个花园。正当美国绚烂秋色尽收眼底的时候，有一次，他对英费尔德说：“从这个窗户看出去，景色多美啊！”英费尔德回忆说，这是爱因斯坦一整天来所讲的第一句，也是唯一的一句与物理学无关的话。爱因斯坦打开了一扇窗户，窗外是别有一番天地。

　　爱因斯坦的挚友M.贝索曾经给爱因斯坦写信，将相对论的发展归功于思辨，从而使思辨显得比经验更为高超。爱因斯坦读这封信后简直生气了，于是回信予以反驳，他申明相对论的发展所启示我们的，恰恰与贝索的结论相反，那就是，一个理论如果要得到人们的信任，就必须建立在可以普遍推广的事实之上。狭义相对论所根据的是光速不变性，真空中的麦克斯韦方程所依据的也是经验基础，匀速平移的相对性无疑也是经验事实。广义相对论的根据是：惯性质量同引力质量的相等。爱因斯坦提出自己的结论，从来没有一个真正有用的和深刻的理论果真是靠单纯思辨去发现的。爱因斯坦在伦敦皇家学院演讲时再次肯定地说到相对论，他说：“回到相对论的本身上来，我急于要请大家注意到这样的事实：这理论并不是起源于思辨；它的创建完全由于想要使物理理论尽可能适应于观察到的事实。”

　　从爱因斯坦第一篇相对论的论文起，就有观察者的字样出现于其中。从爱因斯坦创建相对论以来直到今天，人们论述相对论时照样引进观察者。观察者是爱因斯坦和爱因斯坦理论论述的一大特色。之所以出现这样一个观察者，一要联系爱因斯坦治学的特长，二要联系他学说的深奥邃密。为了通俗解释的需要，以观察者的叙述使人易于理解，这是一方面。更重要的是，观察者涉及到爱因斯坦创建相对论的思想方法的特长，在科学研究的价值上具有不可替代的普遍性。

　　爱因斯坦对作思想实验极为擅长，这从他初登科学舞台以来就引人注目。在他为自己的理论辩护的时候，这一点又显得特别醒目。对于爱因斯坦来说，做思想实验是他从事科学研究不可缺少的有力手段。进行一个思想实验，有它的目的和条件，有思想实验所必备的设备和测量工具（指概念上的），有严格的测定方法和操作手续，有实验的有效性标志和实验结果，还有必不可少的从事实验的观察者。

　　观察者在爱因斯坦的思想实验中或者公开露面或者进行遥控。因此，在他们设计中，爱因斯坦列车之内和之外有观察者，升降机内外有观察者，转动的圆盘内外有观察者。

　　观察者是论证的一种方法和表述的一种方式。就其在思想实验中的角色作用而言，观察者就是测量的记录者。相对论中的观察者，其作用可以一句话来说明：记录发生在同一空一时点的物理事件。同时性在相对论中具有重要的地位，可以说观察者的作用就是将发生在同一空一时点的一对事件记录下来。例如，“在这个观察者看来，那列火车7点钟到达这里”，这句话的意思是说，这个观察者将“钟的短针正指到7”，同“那列火车到达这里”这两个同时事件记录下来。

　　进而言之，相对论中的观察者更在于强调，静止的观察者与运动的观察者对同样的物理事件记录的测量结果不同。之所以不同，乃是由于他们对于参照系所处的地位不同，其中之一是静止的，另一个则是运动的。每一位观察者都处于一定的坐标系之中，相对于自己的坐标系他是静止的。两个坐标系作相对运动，它们之中的不同观察者也处于相对运动之中。一个观察者不但可以记录自己参照系中的位置和时间量度，而且也可以记录作相对运动的另一个参照系中的时间量度。即使一个观察者仅限于用自己坐标系中的仪器进行观测，也不妨碍他可接收其他参照系中观察结果的信息。

　　观察者都是理想性设计的，但他们却作用于实测与观察，这就是爱因斯坦理论特色的反映。

　　爱因斯坦在谈到相对论的成就时，喜欢旧这样的表达方式：达到什么什么的协调、统一，消除了什么什么的不对称。选择这样的字眼和表达方式并不完全出自于偏爱，就理论思考的思路来说，从形式上就显示出了爱因斯坦意识到追求理论的统一，是他从事物理研究的直接目标。从传统的经典观念看来，真空中光速不变假设与相对性原理是不相融洽的。这是麦克斯韦电动力学发展道路上的重大障碍。爱因斯坦为解决这一难题，选择的思路是这样的：一方面，确认相对性原理受到经验事实支持，是正确的；另一方面，又必须承认光在真空中传播的速度为一恒量。这两个公设不可否弃其一，出路在于将二者结合起来。结合的结果得到有关物理事件的空间坐标和时间坐标在量值上的变换定律——洛伦兹变换。在爱因斯坦的推理过程中，光的传播定律起了重要的作用，也就是将光速不变原理纳入相对性原理的适用范围。

　　爱因斯坦因此为总结狭义相对论的成就时提出：

　　1.它使力学和电动力学相互协调了。

　　2.它将电动力学中原来互不相关的假设作了简明的综合和概括。

　　3.它使空间和时间的概念统一了。

　　4.它把动量守恒定律和能量守恒定律联结起来，揭示了质量和能量的统一。

　　新的理论获得了更大的统一性和更大的简明性。在理论预言方面，狭义相对论并没有对原有理论作出多么大的修改，但在质的方面，则使得理论的结构大为简化，简化了定律的推导，减少了构成理论基础的独立假设的数目。

　　爱因斯坦为创建这一新理论其思路的关键是扩大相对性。在狭义相对论的创建过程中，扩大相对性表现为扩大运动的相对性，即将相对性扩展到一切运动，不给绝对运动留下任何余地，不允许有为绝对运动存在所必需的特别优越的参照系，只允许相对运动存在。扩大相对性还可以从另一意义上得到理解，那就是将相对性原理的适用范围扩大，将其有效地应用于真空中光速不变原理。上述两种理解对于狭义相对论在逻辑上都是适用的。

　　扩大相对性作为一种方法，它具体的内容究竟何指？爱因斯坦曾经举过这样两个例子：

　　假设有两个实验室，一个设在旷野，一个设在火车上，火车以固定的速度向一个方向行驶，两个物理学家各自在一个实验室里使用同样的仪器，得出同样的结果来。

　　爱因斯坦说持有这样看法的理论就是狭义相对论。他又以另一个例子说明相对性。

　　“如果您在一个漂亮的姑娘身旁坐一个小时，你只觉得坐了片刻；反之，你如果坐在一个热火炉上，片刻就像一个小时。这就是相对的意义，这当然是好懂的”。爱因斯坦接着又诙谐地反诘说：“如果有人存有怀疑，而又想试验一下的话，有谁不会宁愿做那个同姑娘坐在一起的人，而把火炉留给怀疑者呢？”

　　在爱因斯坦看来，扩大相对性与理论探索中所发现的问题和问题境况有关，也就是说，扩大什么样的相对性，着眼于什么对象，需要依据具体问题和具体的情况而定，因而是不同的。但就方法论的道义而言，扩大相对性则具有普遍性。

　　在狭义相对论建立之后，爱因斯坦继续沿着扩大相对性的理论思路朝向更加统一的新理论进军。物理学前辈普朗克对此很不理解，他对爱因斯坦说过：“现在一切都能明白地解释了，您为什么又忙于另外一个问题呢？”

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