《人类科学技术史-328》狭义相对论的创立（上）

狭义相对论的创立（上）

麦克尔逊-莫雷实验在爱因斯坦(1879-1955)创立狭义相对论的过程中究竟起多大的作用，这个问题虽然在物理学史上仍有争论，但谁也不否认麦克尔逊-莫雷实验在由洛伦兹理论向狭义相对论的转变中起了重要的作用。爱因斯坦本人对麦克尔逊-莫雷的工作给予很高的评价，他认为麦克尔逊-莫雷实验"揭示了光以太理论的隐患"，"将物理学引向新的道路"，"铺平了狭义相对论发展的道路"。

爱因斯坦在1905年发表的第一篇关于相对论的文章《论动体的电动力学》中明确指出："诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于'光媒质'运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这个概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学也一样适用，对于第一级微量来说，这是已经证明了的。"很明显。爱因斯坦认为，麦克尔逊-莫雷实验的结论只能是，根本就不存在什么"以太"，也就不存在什么"以太参考系"。爱因斯坦曾读过洛伦兹的一篇关于麦克尔逊-莫雷实验的论文(文中提出了洛伦兹-斐兹杰勒收缩）。爱因斯坦在1907年发表的题为《相对论原理及其结论》的论文中写道，洛伦兹理论是以一种静止的、不动的光以太的假说为基础的，按照这个理论，地球相对以太的运动速度V与真空中的光速C之比的一次幂项V／C，不应该在实验中被观测到，"但是，麦克尔逊-莫雷实验的否定结果表明：在某种场合下，连二次幂效应(与V2／C2有关的项）也不存在，而按照洛伦兹的理论基础，它是必定可以在实验中观测到的。"他认为，"理论同实践之间的那种矛盾，通过洛伦兹和斐兹杰勒的假说(根据这种假说，运动物体在运动方向发生一定的收缩）可以在形式上消除。

但是，在这方面引进的这种假说，看来只是一种拯救理论的人为方法；麦克尔逊-莫雷实验正好证明，在根据洛伦兹理论看来相对性原理不成立的地方，现象却还是符合这个原理的。从而给人这样一种印象，似乎又必须抛弃洛伦兹理论，而代之以一个基础同相对性原理相适应的理论，因为，这样一个理论允许一下子预见到麦克尔逊-莫雷实验的否定结果。"这里所指的"这样一个理论"正是爱因斯坦在《论动体的电动力学》中系统提出的，后来被称为狭义相对论的理论。他以以下的两条基本原理作为狭义相对论的基础：

①相对性原理：所有惯性参考系都是等价的。物理规律对于一切惯性参考系都可以表述为相同的形式。不论通过力学、光学、电学或其他实验，都不能觉察出所在参考系的"绝对运动"。

②光速不变原理：真空中光速相对于任何惯性参考系沿任何方向均为C，且与光源的运动无关。

第一条原理是伽利略的力学相对性原理的直接推广。伽利略相对性原理肯定了一切惯性参考系的力学等价性，爱因斯坦则只是把这种等价性推广到电磁学、光学及一切物理规律。它是爱因斯坦所坚持的"不存在绝对运动"和"世界统一性"的自然观的体现。从理论的角度来看，相对性原理是容易接受的。

在肯定麦克斯韦电磁理论的基础上，把相对性原理推广到电磁学领域，就要假定麦克斯韦方程在一切惯性参考系中保持不变，而这样做必须解决两个问题。一是要假定真空中光速保持不变，二是在电磁学领域不能保留伽利略变换，因为，麦克斯韦方程在伽利略变换下将发生改变，也就是说，在不同惯性系中，电磁现象将呈现不同的规律。

对麦克斯韦电磁理论的正确性，爱因斯坦是坚信不移的，他认为全部力学、电动力学和光学的实验事实都支持相对性原理，而且全部电动力学和光学实验事实也都证明光速的不变性。因此，他认为，必须把"一切惯性系中光速不变的假定"上升到原理的地位上，才能使初看起来有矛盾的两条原理统一起来。而提出光速不变的原理就意味着否定牛顿力学中的速度相加定律，即否定经典的时空观，"同时"的概念将失去其绝对的意义，两事件的时间间隔和空间间隔将随参考系的不同而不同。总之，在理论、观念上都是一大突破。

对爱因斯坦来说"这个困难确实很难解决"。1922年12月，在日本京都大学的一次演讲中，爱因斯坦曾详细介绍了解决这一难题的经过，将伯尔尼时的同事与好友贝索对他的帮助铭刻在了创立相对论的历史丰碑上。他回忆道："我在伯尔尼的一位朋友贝索意外地帮助了我。那天天气很好，我带着上述问题访问他。开始，我告诉他：'最近，我一直在钻研一个难题。今天到这儿来，请你和我一块攻攻它。'我俩讨论了问题的各个方面。后来，我突然找到了问题的关键。第二天，我再次访问他，甚至没有问候他一声，就直接对他说：'谢谢你，我已经完满地把问题解决了。'我的解决办法是，分析时间这个概念。时间不能绝对定义，时间与信号速度之间有不可分的联系。使用这个新概念，我第一次完满地解决了整个困难。我用了五个星期完成了狭义相对论。"爱因斯坦认为，要准确地表述时间概念需要认识的仅仅是，人们可以把洛伦兹引进的，称为'当地时间'的这个辅助量直接定义为'时间'。如果坚持这种时间的定义，并把前面伽利略变换方程用符合新的时间概念的变换方程来代替，那么洛伦兹理论的基本方程即洛伦兹变换方程就符合相对性原理了。这样，洛伦兹和斐兹杰勒的长度收缩假说就像是理论的必然结果。

爱因斯坦还对第二条原理的由来作过深刻的说明："相对论常遭到指责，说它未加论证就把光的传播放到中心理论的地位，以光的传播定律作为时间概念的基础。然而，情形大致如下：为了赋予时间概念以物理意义，需要某种能建立不同地点之间的关系的过程。为这样的时间定义究竟选择哪一种过程是无关重要的。可是为了理论只选用那种已有某些肯定了解的过程是有好处的。由于麦克斯韦和洛伦兹的研究之赐，和任何其他考虑的过程相比，我们对于光在真空中的传播是了解得更为清楚的。"

爱因斯坦从上述两条基本原理出发，推导出了相对论的惯性系变换公式——洛伦兹变换公式，创立了狭义相对论。这个公式所以仍称为洛伦兹变换式是因为它是由洛伦兹首先得出的。同样的公式，推导的理论出发点却大不相同。洛伦兹人为引进"长度收缩"和"地方时间"的假说给出了这个公式，目的在保留住以太的不动性。

爱因斯坦是从新理论的角度进行推导，赋予这个公式全新的革命的含义。在电磁理论中用这个公式代替了伽利略变换。在洛伦兹变换下，麦克斯韦在一切惯性系中保持了相同的形式，成功地将力学的相对性原理推广到了电磁学领域。

洛伦兹变换在高速领域成功地替代了伽利略变换，但狭义相对论并没有否定伽利略变换在力学中的不可动摇的地位，没有否定力学相对性原理。在低速领域，即远小于光速的情况下，洛伦兹变换很自然地和伽利略变换相一致。

从狭义相对论的观点来分析，以太则是毫无用处的假说，麦克尔逊-莫雷实验也很容易解释：首先，一切惯性系都是等价的，麦克尔逊干涉仪所在的惯性系——地球也不例外；其次，光速在所有方向上都相同，那么，不论干涉仪如何转动，干涉条纹都不可能有移动。麦克尔逊-莫雷实验也就自然是"零结果"了。于是，麦克尔逊-莫雷实验——物理学史上最著名的实验之一则成为狭义相对论的一个最基本的实验事实。