科学阶梯丨青年爱因斯坦，原来是受了他们启发

「 编者按 」

从哥白尼颠覆性的《天体运行论》，到牛顿革命性的《自然哲学之数学原理》，再到达尔文开创性的《物种起源》……一部部科学经典著作，犹如人类文明史上璀璨的里程碑，承载着科学家的卓越洞察与不懈追求，奠定了现代科学基石，铺就了人类进步的阶梯，引领我们迈向更加广阔的知识天地。

为让更多读者感受科学魅力，北京市科学技术协会推出“科学阶梯”专栏，对科学经典著作进行深入诠释。欢迎您加入这场跨越时空的科学对话，重温科学史上令人惊叹的时刻，一同领略科学之美，感悟智慧之光。

本期我们带来的科学经典是《相对论原理》，它带领我们一同探寻这一伟大科学突破的来龙去脉。

在科学史上，爱因斯坦以其卓越的成就被誉为现代物理学的奠基者之一。然而，和我们印象中的“天才”形象不太一样，青年爱因斯坦成绩平平，表现出对传统教育体系的不满，不受老师和同学的喜爱。日常生活中他不修边幅，显得与众不同……

1893年，14岁的爱因斯坦

但正是这样一位有些“叛逆”的青年，表现出了独立思考及质疑传统的特质，这使得他能够挑战当时主流物理学的传统观点，并提出了全新的理论，改变了人类对时间、空间的理解。

1905年被称为爱因斯坦的“奇迹年”，年仅26岁的他在这一年内发表了四篇革命性的论文，其中包括提出光电效应理论、解释布朗运动、建立狭义相对论，以及提出质能公式E=mc²。

青年爱因斯坦，约摄于1904年

爱因斯坦喜欢自学和独立思考，他的成就离不开对已有成果的创新和整合。为此，提起相对论只知道爱因斯坦是远远不够的。

独具慧眼的物理学大师索末菲，曾精心遴选了物理学史上这些光辉的原始文献，再现了创立相对论的生动过程。

这本索末菲主编的《相对论原理》，让我们有机会一同探寻这一伟大科学突破的来龙去脉。

质疑绝对时空观念

他是“创建相对论的先驱”

马赫对物理学的直接贡献并不大。但他有一点很了不起，他敢说“祖师爷”不对，敢于否定牛顿的一些重要思想。

恩斯特·马赫（1838-1916），奥地利物理学家和哲学家，提出了“马赫数”并质疑牛顿的绝对时空观，对相对论和科学哲学产生了重要影响

他认为凡是看不见、摸不着的东西，都不应该承认其存在。牛顿说的“绝对空间”谁见过？谁感知过？没有人见过、感知过，所以根本不存在绝对空间，一切运动都是相对的，应该坚持相对性原理。“以太”谁见过、摸过？谁也没有见过、摸过，所以“以太”也不存在。

爱因斯坦觉得马赫说得太对了，根本就不存在绝对空间，也不存在以太，应该坚持相对性原理。所以，爱因斯坦一开始思考光行差现象和菲佐实验的矛盾时，就少走了不少弯路。他坚信相对性原理应该坚持和推广。

爱因斯坦在学生时代就阅读过这部作品并深受其影响。爱因斯坦称马赫为“创建相对论的先驱”。遗憾的是，狭义相对论提出后，却没有得到马赫的支持。

光速是恒定的吗？

他启发了爱因斯坦的光速不变原理

在经典物理学中，物体的速度通常相对参照物而变化，但麦克斯韦方程揭示了光速不依赖于光源或观测者的运动状态。这一特性与当时的牛顿力学观念不符。

牛顿力学认为，速度的叠加原则应该适用于任何运动物体，然而，光速的恒定挑战了这种传统的速度叠加观念。

爱因斯坦在思考这些矛盾时，尤其关注麦克斯韦方程的这种恒定性，他认为无论观察者如何运动，光速应始终不变。

麦克斯韦（1831-1879），苏格兰物理学家，创立了电磁场理论，统一了电与磁，并预言光是一种电磁波。爱因斯坦本人盛赞了麦克斯韦，称其对物理学做出了“自牛顿时代以来最深刻、最有成效的变革”

在1905年提出狭义相对论时，爱因斯坦大胆提出了光速不变原理——光速在任何惯性参考系中均保持不变，这是狭义相对论的核心假设之一。这一理论打破了牛顿时空观念，重新定义了时间和空间的关系。

认为真空中光速不变

光速不变原理也和他有关

法国数学家、物理学家庞加莱（H.Poincaré，1854-1912）也是创建相对论的先驱之一。他否认绝对空间的存在，坚持相对性原理，认为真空中光速不变，并建议通过光速来校准不同地点的钟，使它们同时、同步。后来爱因斯坦发展了庞加莱的想法，提出光速不变原理，并参考庞加莱的方法定义了“同时”。

庞加莱（1854-1912），法国数学家和物理学家，被誉为“最后一位全才”

洛伦兹、庞加莱等人因固守“以太说”，成了“预示了相对论又没有创立相对论的人”。只有爱因斯坦最终完全打通了建立狭义相对论的道路。

狭义相对论问世后，洛伦兹和庞加莱并没有立即给予支持。洛伦兹最初反对相对论，后来才慢慢承认其正确性。庞加莱至死都没有承认相对论正确。

1911年召开的第一届索尔维会议，洛伦兹（坐者左四）、庞加莱（坐者右一）、爱因斯坦（站者右二）、普朗克（站者左二）、居里夫人（坐者右二）等人都在其中。这是爱因斯坦和庞加莱的唯一一次见面，不久后庞加莱就去世了

令人费解的“四维时空”

最终成为广义相对论的核心

闵可夫斯基是爱因斯坦大学时代的数学老师。相对论发表之后，闵可夫斯基对爱因斯坦的工作从数学角度进行了深入研究。

赫尔曼·闵可夫斯基（1864-1909），德国数学家，提出了四维时空概念，奠定了广义相对论的基础。他的理论对现代物理学影响深远

他认为，从相对论的角度看，时间和空间不再是分离的，应该把时间和空间看作一个整体——四维时空（时间被看作第四维的空间）；能量和动量也不再是分离的，应该把它们看作一个整体——四维动量（能量被看作第四维的动量）。

他把四维时空中的每一个点称为一个“世界点”，全体世界点构成“世界”，也就是四维时空。一个点的运动会在四维时空（世界）中描出一条曲线，他称之为“世界线”。

闵可夫斯基的“四维时空”概念，超出了爱因斯坦当时的思维。在闵可夫斯基思想的影响下，爱因斯坦开始从更高的角度审视、理解自己的相对论，从而为广义相对论的创建作了初步准备。

科学经典推荐

相对论原理

[荷兰] 洛伦兹 [美] 爱因斯坦

[德] 闵可夫斯基 [德] 外尔 著

凌复华 译

《相对论原理》收录了爱因斯坦、洛伦兹、外尔和闵可夫斯基等四位大物理学家和大数学家关于相对论的原始文献，再现了创建相对论的生动过程，是物理学史上的重要经典文献之一，影响巨大。

本书选自“科学元典丛书”。“科学元典丛书”由北京大学出版社出版，收录了自古希腊以来，特别是近代科学诞生以来的100部科学经典，是中国历史上规模最大的科学名著汉译丛书。

来源：“北京大学出版社”公众号