《人類科學技術史-328》狹義相對論的創立（上）

狹義相對論的創立（上）

麥克爾遜-莫雷實驗在愛因斯坦(1879-1955)創立狹義相對論的過程中究竟起多大的作用，這個問題雖然在物理學史上仍有爭論，但誰也不否認麥克爾遜-莫雷實驗在由洛倫茲理論向狹義相對論的轉變中起了重要的作用。愛因斯坦本人對麥克爾遜-莫雷的工作給予很高的評價，他認為麥克爾遜-莫雷實驗"揭示了光以太理論的隱患"，"將物理學引向新的道路"，"鋪平了狹義相對論發展的道路"。

愛因斯坦在1905年發表的第一篇關于相對論的文章《論動體的電動力學》中明確指出："諸如此類的例子，以及企圖證實地球相對于'光媒質'運動的實驗的失敗，引起了這樣一種猜想：絕對靜止這個概念，不僅在力學中，而且在電動力學中也不符合現象的特性，倒是應當認為，凡是對力學方程適用的一切坐標系，對于上述電動力學和光學也一樣適用，對于第一級微量來說，這是已經證明了的。"很明顯。愛因斯坦認為，麥克爾遜-莫雷實驗的結論只能是，根本就不存在什么"以太"，也就不存在什么"以太參考系"。愛因斯坦曾讀過洛倫茲的一篇關于麥克爾遜-莫雷實驗的論文(文中提出了洛倫茲-斐茲杰勒收縮）。愛因斯坦在1907年發表的題為《相對論原理及其結論》的論文中寫道，洛倫茲理論是以一種靜止的、不動的光以太的假說為基礎的，按照這個理論，地球相對以太的運動速度V與真空中的光速C之比的一次冪項V／C，不應該在實驗中被觀測到，"但是，麥克爾遜-莫雷實驗的否定結果表明：在某種場合下，連二次冪效應(與V2／C2有關的項）也不存在，而按照洛倫茲的理論基礎，它是必定可以在實驗中觀測到的。"他認為，"理論同實踐之間的那種矛盾，通過洛倫茲和斐茲杰勒的假說(根據這種假說，運動物體在運動方向發生一定的收縮）可以在形式上消除。

但是，在這方面引進的這種假說，看來只是一種拯救理論的人為方法；麥克爾遜-莫雷實驗正好證明，在根據洛倫茲理論看來相對性原理不成立的地方，現象卻還是符合這個原理的。從而給人這樣一種印象，似乎又必須拋棄洛倫茲理論，而代之以一個基礎同相對性原理相適應的理論，因為，這樣一個理論允許一下子預見到麥克爾遜-莫雷實驗的否定結果。"這里所指的"這樣一個理論"正是愛因斯坦在《論動體的電動力學》中系統提出的，后來被稱為狹義相對論的理論。他以以下的兩條基本原理作為狹義相對論的基礎：

①相對性原理：所有慣性參考系都是等價的。物理規律對于一切慣性參考系都可以表述為相同的形式。不論通過力學、光學、電學或其他實驗，都不能覺察出所在參考系的"絕對運動"。

②光速不變原理：真空中光速相對于任何慣性參考系沿任何方向均為C，且與光源的運動無關。

第一條原理是伽利略的力學相對性原理的直接推廣。伽利略相對性原理肯定了一切慣性參考系的力學等價性，愛因斯坦則只是把這種等價性推廣到電磁學、光學及一切物理規律。它是愛因斯坦所堅持的"不存在絕對運動"和"世界統一性"的自然觀的體現。從理論的角度來看，相對性原理是容易接受的。

在肯定麥克斯韋電磁理論的基礎上，把相對性原理推廣到電磁學領域，就要假定麥克斯韋方程在一切慣性參考系中保持不變，而這樣做必須解決兩個問題。一是要假定真空中光速保持不變，二是在電磁學領域不能保留伽利略變換，因為，麥克斯韋方程在伽利略變換下將發生改變，也就是說，在不同慣性系中，電磁現象將呈現不同的規律。

對麥克斯韋電磁理論的正確性，愛因斯坦是堅信不移的，他認為全部力學、電動力學和光學的實驗事實都支持相對性原理，而且全部電動力學和光學實驗事實也都證明光速的不變性。因此，他認為，必須把"一切慣性系中光速不變的假定"上升到原理的地位上，才能使初看起來有矛盾的兩條原理統一起來。而提出光速不變的原理就意味著否定牛頓力學中的速度相加定律，即否定經典的時空觀，"同時"的概念將失去其絕對的意義，兩事件的時間間隔和空間間隔將隨參考系的不同而不同。總之，在理論、觀念上都是一大突破。

對愛因斯坦來說"這個困難確實很難解決"。1922年12月，在日本京都大學的一次演講中，愛因斯坦曾詳細介紹了解決這一難題的經過，將伯爾尼時的同事與好友貝索對他的幫助銘刻在了創立相對論的歷史豐碑上。他回憶道："我在伯爾尼的一位朋友貝索意外地幫助了我。那天天氣很好，我帶著上述問題訪問他。開始，我告訴他：'最近，我一直在鉆研一個難題。今天到這兒來，請你和我一塊攻攻它。'我倆討論了問題的各個方面。后來，我突然找到了問題的關鍵。第二天，我再次訪問他，甚至沒有問候他一聲，就直接對他說：'謝謝你，我已經完滿地把問題解決了。'我的解決辦法是，分析時間這個概念。時間不能絕對定義，時間與信號速度之間有不可分的聯系。使用這個新概念，我第一次完滿地解決了整個困難。我用了五個星期完成了狹義相對論。"愛因斯坦認為，要準確地表述時間概念需要認識的僅僅是，人們可以把洛倫茲引進的，稱為'當地時間'的這個輔助量直接定義為'時間'。如果堅持這種時間的定義，并把前面伽利略變換方程用符合新的時間概念的變換方程來代替，那么洛倫茲理論的基本方程即洛倫茲變換方程就符合相對性原理了。這樣，洛倫茲和斐茲杰勒的長度收縮假說就像是理論的必然結果。

愛因斯坦還對第二條原理的由來作過深刻的說明："相對論常遭到指責，說它未加論證就把光的傳播放到中心理論的地位，以光的傳播定律作為時間概念的基礎。然而，情形大致如下：為了賦予時間概念以物理意義，需要某種能建立不同地點之間的關系的過程。為這樣的時間定義究竟選擇哪一種過程是無關重要的。可是為了理論只選用那種已有某些肯定了解的過程是有好處的。由于麥克斯韋和洛倫茲的研究之賜，和任何其他考慮的過程相比，我們對于光在真空中的傳播是了解得更為清楚的。"

愛因斯坦從上述兩條基本原理出發，推導出了相對論的慣性系變換公式——洛倫茲變換公式，創立了狹義相對論。這個公式所以仍稱為洛倫茲變換式是因為它是由洛倫茲首先得出的。同樣的公式，推導的理論出發點卻大不相同。洛倫茲人為引進"長度收縮"和"地方時間"的假說給出了這個公式，目的在保留住以太的不動性。

愛因斯坦是從新理論的角度進行推導，賦予這個公式全新的革命的含義。在電磁理論中用這個公式代替了伽利略變換。在洛倫茲變換下，麥克斯韋在一切慣性系中保持了相同的形式，成功地將力學的相對性原理推廣到了電磁學領域。

洛倫茲變換在高速領域成功地替代了伽利略變換，但狹義相對論并沒有否定伽利略變換在力學中的不可動搖的地位，沒有否定力學相對性原理。在低速領域，即遠小于光速的情況下，洛倫茲變換很自然地和伽利略變換相一致。

從狹義相對論的觀點來分析，以太則是毫無用處的假說，麥克爾遜-莫雷實驗也很容易解釋：首先，一切慣性系都是等價的，麥克爾遜干涉儀所在的慣性系——地球也不例外；其次，光速在所有方向上都相同，那么，不論干涉儀如何轉動，干涉條紋都不可能有移動。麥克爾遜-莫雷實驗也就自然是"零結果"了。于是，麥克爾遜-莫雷實驗——物理學史上最著名的實驗之一則成為狹義相對論的一個最基本的實驗事實。