光行差效應怎麼解決

20世紀初，物理學的殿堂裡奏響了一支新的神曲，啟迪了人們的心智，引導著人們走進了一個新的世界。——“雙生悖論”隨筆之六

“雙生悖論”與神奇的光速相關，與愛因斯坦建立的相對論直接相關，“雙生悖論”就是人們從這個理論中製造出來的一個“佯謬”。因此闡明“雙生悖論”，就要重點介紹一下這個理論。

這個理論源自1905年愛因斯坦的一篇論文。這無疑是一篇人類文明史中的重要傑作。

一、是什麼樣的傑作

物理奇蹟年 1905

這篇傑作的題目是：《論動體的電動力學》，刊於1905年《物理學年鑑》第17卷第891—921頁。這在當時是一本聲望很高的物理學權威雜誌。

1905年，是科學史上值得記載的一年，是物理學史上的一個偉大的年份。因為在這一年裡，一位瑞士伯爾尼專利局的26歲的青年愛因斯坦，在德國《物理學年鑑》上發表了5篇論文，其中三篇每篇都有劃時代的成就。第一篇是解釋光電效應的論文，提出光子說，論文獲得了1921年的諾貝爾物理獎；第二篇是關於布朗運動的，透過統計的分析，間接地證明了分子、原子的存在；第三篇就是《論動體的電動力學》，由此“狹義相對論”就問世了。後世的科學史家評論說，愛因斯坦在1905年完成的這些論文，哪一篇都能拿一個諾貝爾物理獎。

這一年，愛因斯坦在科學史上創造了一個無先例的奇蹟。正因為這個原因，2004年6月10日，聯合國第58次大會決定2005年為“國際物理年”。這是在所有已發生的與物理事件相關的活動中，首次設立這種世界範圍內的大型紀念活動。

在1905年的這些論文中，具有最大價值就是第三篇關於狹義相對論的論文。然而，這篇論文在誕生之初並未受到物理界的太多關注，原因在於這篇論文只有一個作者，也沒有什麼參考文獻，看上去不像一篇標準形式的物理學論文。

在此文中，作者花費大量的篇幅進行“同時性”的論證，這在當時許多物理學家的眼裡是一個純哲學的問題，與物理學似乎沒有太大的關係。後來，人們才逐漸地認識到由這篇論文建立起來的理論，是20世紀物理學最重要的成就之一。

論文闡述了物體在接近光速運動的情況下，會出現的一些令人費解的現象；指出了任何物理定律對於一切慣性參考系都是等價的；光速對於一切慣性系都有一樣的值。從根本上改變了人們頭腦中傳統的時間、空間觀念，揭示了時間與空間的內在聯絡，指出了質量和能量的內在聯絡。

這些內容，開創了物理學的一個新時代。

傑作，雖然是傑出者的智力創作，然而，也是那個時代給予了創作者的機遇。

二、時代提出的問卷

一篇劃時代的科學傑作的出現，有時是在那個時代某個學科遭遇了危機，出現了大的難題，若有人解決了這道難題，就是完成了一篇傑作。

19-20世紀之交的物理學，遇到了困境，出現了幾個難題。許多資深的物理學家為解決這些難題緊張地工作著。其中有一道難題，是一位青年英才脫穎而出，超越了一群人，用嶄新的觀念和簡單的方法解決了這道難題，改變在此問題上的混亂局面。這種一匡天下壯舉，肯定是一個精彩的故事。

物理學發展到19世紀未，處於一種完美與危機並存的特殊歷史時期。

一方面，經典物理學（牛頓力學、熱力學和統計物理、麥克斯韋的電磁理論）已趨於完善。

英國和法國的兩位年輕科學家用牛頓理論，透過計算，預言了海王星準確出現的日期和在天空的方位；也是用牛頓理論中的一些重要概念和思想發展起來的麥克斯韋電磁理論，成功地解釋了當時波動光學中的各種問題。光學、電磁學與力學在理論上的統一使物理學呈現了一種形式上的完美，被人譽為是一幢莊嚴雄偉的建築，是一座美輪美奐的殿堂。

著名物理學家電子的發現者J·J·湯姆遜說，“一切現象都能夠從力學的角度來說明，這是一條公理，整個物理學就建立在這條公理之上。”那時，經典力學已經發展到了相當成熟的水平，好像自然界出現的現象都可以透過經典力學予以解釋，給人們造成一種錯覺是物理學已不需要去建立新的理論，只需要去解決新的問題，物理學已是一門完成了的學科。

另一方面，物理學也隱含著危機。

1900年4月27日，在倫敦大不列顛皇家研究所的星期五晚間演講會上，英國著名物理學家開爾文勳爵（原名威廉·湯姆孫，熱力學的奠基人之一，1892年被授予開爾文勳爵的稱號。在《麥克斯韋妖的隨筆》中，多次提到了這位物理學家），作了題為《熱和光的動力學理論上空的19世紀之烏雲》的長篇講演，為霧都倫敦上空增添了兩朵烏雲。

第一朵烏雲指的就是光在傳播中出現的疑團。

聲音的傳播是靠空氣、水、鐵軌等媒質的振動來實現的，由牛頓理論就可以很好地闡明這種機械波傳播的性質和機理。因此，當時的物理學家就相信，光也一定是在一種媒質中傳播的。

法國大哲學家笛卡爾借用希臘詞“以太”，提出了宇宙空間充滿著“以太”這樣一種介質。物理界也普遍地認為，光或電磁波就是依靠“以太”這種介質的振動傳播的。麥克斯韋建立了電磁理論，這位電磁理論的最大權威就相信光是靠以太傳播的。他在為1878年版的《不列顛百科全書》撰寫了一個詞條中就寫到“整個空間到處迷漫著以太。”

根據麥克斯韋方程給出的結論，光是電磁波，是一種橫波，其傳播速度是C。人們很自然地就會出現以下一連串的看法：光既然是在以太中的傳播，其波速一定是相對於與以太相聯的參考系的；以太就是在宇宙中的一個靜止參照物，與以太固定的參考系就是一個絕對靜止的參考系；光速就是相對於這個參考系的速度為C。

一輛車在無風的情況下往前開，車上的人會感到有撲面的風，若把地球比作這輛車，在以太中向前開，地球上的觀測者也同樣會感到有撲面的風，當然這就是“以太風”；如果一艘船在靜水中航行，由於運動的相對性，如果把船看作不動，船上的觀察者就會看到是水相對於船的飄移，若把船比作地球，水是以太，同樣地球上的觀測者就會看到“以太的飄移”。

如果以太是存在的，就一定可以測得以太相對於地球的“風速”或“飄移的速度”，確定這種速度，成為當時物理學家關注的一個重要課題。

上篇文章已經討論了由於光在以太中運動，則在地球參考系中的觀測者一定會測得光速應當在（C±V）範圍內的一個值。邁克爾遜-莫雷實驗的“零結果”，否定了地球相對於以太的運動，沒有像空氣那樣的“以太風”，也沒有像水那樣的“以太飄移”，這是為什麼呢？這個“零結果”，就是物理世界上空的一朵烏雲，也是那個時代提出的一道難題。

為了更好地理解當時的物理學家對“零結果”提交的答卷，我們有必要把物理界在回答這個問題之前存在的主要的觀念清理一下，這樣就會比較容易理解，他們為什麼是提交了這樣的答卷。

首先，相信以太存在。

當時的物理界較為統一的看法是，力學理論已形成的自然觀，可以統一電磁學的自然觀，聲音靠空氣等媒質傳播，光或電磁波一定也是靠以太這樣的媒質傳播的，沒有媒質傳播的波動是無法理解的。

其次，麥克斯韋方程與光速C都是相對於以太參考系的。

麥克斯韋方程是電磁運動的規律總結，方程中出現了光速C，是電磁運動規律的直接結果，二者之間有一種直接、一致的相關性：在方程能成立的區域，光速一定是C；光速發生了變化的地方，方程也就不能成立；光依靠以太傳播，其速度為C，方程也只能在以太這個絕對靜止的參考系中才能成立。

再其次，伽利略的相對性原理不能包括電磁運動的規律。

伽利略的速度變換公式不會有錯，這是無數的實驗以及人們的經驗證明了的。

地球相對於以太有速度V的運動，那麼地球上的觀測者測得的光速就不能是C，相應地麥克斯韋方程在地球參考系中也不能成立，力學規律在不同慣性系中形式不變的伽利略相對性原理，不應當包括電磁學的規律。

當時有代表性的幾位物理學家，就是把以上的觀念作為回答難題的知識儲備。這就像一個學生在考前所作的種種準備，來作為答卷的依據。

三、幾份有缺陷的答卷

第一份答卷是邁克爾遜提出的所謂的“以太曳引”的假說。

如果地球相對於以太沒有運動，那麼地球上測得的光速（C±V）中的V為零，測得的光速只能是C。這就自然解釋了“零結果”。然而，地球繞太陽運動著，以太是靜止的，它們之間為什麼會沒有相對運動呢？

這個假說這樣回答：以太有一種特性，它會粘附在各種有質量的物體上，當物體運動時，會拖引著附著在上面的以太一起運動。因此地球在運動的過程中，就曳引著以太一起運動，這樣地球與以太之間就不存在相對運動，自然就有了邁克爾遜-莫雷實驗的“零結果”。始終不願放棄以太的邁克爾遜就是以這種理論來解釋他的實驗結果的。

這一假說保留了以太的存在，光速在以太中是C，在地球上測量也是C，這說明無論在以太中或在地球上麥克斯韋方程也能成立，伽利略的速度變換公式也不用修正，這一假說用了一個簡單的“曳引”模型，似乎把矛盾都解決了。看起來，這個假說還真有點兒道理。

但是，這一假說被可靠的實驗所否定。

前一篇文章中我們介紹了用光行差測定光速的實驗。文中說“由於地球繞太陽公轉方位的週期變化，你將會觀察到某個天頂發光的星體在天穹位置發生的變化：有時在你的這一邊，有時在你的那一邊。這就是‘光行差’現象。”

利用這一現象測得的光速與其他實驗測得的光速非常接近，說明了這一“觀測”的可靠性。然而，按照“曳引”假說，以太相對於地球是靜止的，相當於你在雨天騎車時，空氣被你的車拖拉著一起運動，你看到的雨滴仍然是垂直下落的，不會你向西行，雨線從西邊來；你向東行，雨線從東邊來。同理，觀察天頂星光的望遠鏡，因為地球與以太相對靜止，觀察到的星光不會有周期性的偏離，不會出現α傾角，望遠鏡只要豎直向上觀望就可以了，但事實不是如此，週期性的偏離總在發生，觀測的望遠鏡總有偏角。

這就證明了不能用以太曳引假說去闡明邁克爾遜實驗的“零結果”。

第二份答卷是“洛倫茲-裴茲傑拉德”的假說。

1892年，愛爾蘭物理學家裴茲傑拉德，提出了“收縮假說”，其後荷蘭物理學家洛倫茲也提出了這樣的假說，來解釋實驗的“零結果”。後來，人們稱之為“洛倫茲-裴茲傑拉德”的假說

他們認為以太是一定存在的，只是物體在以太中運動時，在運動方向上的長度會發生收縮，正是這種收縮，使得地球上的觀測者不會測量到以太相對於地球的飄移。如果收縮的因子是√1－V^2/C^2，便可以得出干涉條紋的移動量為零的結果。

洛倫茲從物質的結構上來解釋長度的收縮，他認為這種收縮是由物體內部的分子力引起的，他假定分子力像電力和磁力一樣要透過以太來傳遞，而物體的平移運動就會影響分子力，從而使物體沿運動方向的長度發生了變化。

1895年，洛倫茲又發表了長篇論文，在這篇論文中，除了長度收縮假設外，又引入了另一個關於時間的變換，就是地球系統的時間t’與以太系統的時間t之間的變換關係，作為一種輔助的數學手段，他把t’稱作區域性時，稱t為絕對時。

洛倫茲透過這種變換，從數學上解釋了實驗的“零結果”，而且麥克斯韋方程的形式也可以在地球、以太兩個參考系中保持形式不變，光速當然也就不變。

洛倫茲為此工作了10幾個年頭，寫下了一組不同參考系中空間與時間的座標變換方程，這些變換竟然是愛因斯坦建立的狹義相對論的核心公式，但這些變換不是從一個更加普適的原理中得到的，除了有多處假設，還引入了沒有任何物理意義的區域性時，理論顯得煩瑣，與愛因斯坦的工作相比較，就失去了光彩。

第三份是彭加勒提交的答卷。

法國大數學家彭加勒，他思辨性地提出了自己精闢的看法。

1895年，他首次提出了反對絕對運動的提法，他說：“從各種經驗事實得出來的結論能夠概括為下述斷言：要證明物體的絕對運動，或者更確切地說要證明物體相對於以太的運動是不可能的。”

1898年，他第一個提出了有必要假設光速對所有的慣性系中觀察者都是常數，並且指出：“沒有這個假設，就無法測量光速。”

在1904年9月24日，在美國聖路易斯城舉行的科學和藝術會議上彭加勒在一次演講中說，以太相當於是一個慣性系，不管用任何實驗方法都不可能探測到我們相對於以太這個慣性系的運動。他在這次演講中，首次使用“相對性原理”這一詞，他說：“……物理現象的定律對於一個固定的觀察者，或者對於一個相對於它作勻速運動的觀察者而言，必然是相同的：因此，我們沒有，也不可能有任何手段來鑑別我們是否是被這個運動攜帶著走。”這種陳述與在愛因斯坦論文中的相關表述的內容已經相當接近了。

在這次講話中，彭加勒還敏銳地預感到一種新的力學即將出現。他斷言：“也許我們應該建立一門新的力學，對這門力學現在還只能窺見它的一鱗半爪，在這門力學中，慣性隨著速度增加，光速將成為一種不可逾越的界限。”彭加勒提出了相對性原理，光速是一個常數，是速度的極限，慣性隨速度增大等多個精闢的看法。

由此可見，彭加勒在愛因斯坦之前已經提出了類似於狹義相對論的主要的內容。然而，彭加勒總是在以太的帷幕下做文章，與愛因斯坦的闡述相比，仍然有高低之別。

有趣的是數學家彭加勒提出了與愛因斯坦相類似的兩個物理學的基本假設；物理學家洛倫茲卻提出了與愛因斯坦理論樣子一樣的數學表示式。他們是從各自專業知識錯位的路上，漸漸地走近了狹義相對論的大門。

愛因斯坦對於前輩和同時代人的工作是肯定的。愛因斯坦對洛倫茲的貢獻作了高度評價。1907年，他說：“狹義相對論是洛倫茲理論與相對性原理的結合。”英費爾德在他寫的《相對論的發展史》中敘述了他與愛因斯坦在普林斯頓的一次談話：“我對愛因斯坦說：‘在我看來，即便你沒有建立它，狹義相對論的出現也不會再等多久，因為彭加勒已經很接近構成狹義相對論的那些東西了’。愛因斯坦回答道：‘是的，這說得對’。”

四、一份最完美的答卷

歷史已經證明，是愛因斯坦提交了一份最完美的答卷。

他提交的這份答卷就是他在1905年發表的《論動體的電動力學》的論文。我們可以從這篇文章中，看到他是如何解答這個難題的。

在《論動體的電動力學》一文中，愛因斯坦寫道：

“企圖證實地球相對於以太運動的失敗，引起了這樣一種猜想：……沒有任何已觀察到的事實特徵符合於絕對靜止的概念，倒是應當認為，對力學方程適用的所有座標系，相應的電動力學和光學方程也一樣適用……，下面我們用了這個公設（以後稱為相對性原理），同時引出另一個公設——一個初看起來與上一個假設不相容的公設——光在真空中以速度C傳播，其值與發光物體的運動性質無關。這兩個公設完全可以在靜止物體的麥克斯韋理論基礎上匯出運動物體電動力學的簡單而又一致的理論，而麥克斯韋電動力學理論是基於靜止物體而建立的。所謂‘光以太’的引入將被證明是多餘的，因為這兒展開的論點不需要具有特殊性質的‘絕對靜止空間’，……”

從此文可以看到，愛因斯坦認為運動都是相對的，沒有“絕對靜止”的概念，也沒有絕對靜止的空間。以太是一個多餘的、子虛烏有的東西。以太沒有了，就沒有了地球相對於以太的運動，顯然也就沒有了干涉條紋的移動，“零結果”是實驗的必然結果。這就簡潔、輕鬆地回答了時代給出的這道難題。

如果沒有了以太，地球上測得的光速為C，這就表明麥克斯韋方程在地球這個慣性系中也是成立的。因此文中提出了兩個重要公設，這是狹義相對論的靈魂，我們有必要對此做一些分析。

這兩個公設通常稱作兩個原理。這是建立狹義相對論的基礎。

第一個稱作“相對性原理”，即物理定律在所有的慣性系中的表述形式是相同的，不存在一種特殊的慣性系；第二個稱作“光速不變原理”，即在所有的慣性系內，真空中的光速具有相同的值C。

原理1超越了只處理力學定律的伽利略的相對性原理（簡稱力學的相對性原理）。從愛因斯坦論文看，是把這個原理擴充到電動力學與光學範圍，事實上可以拓展到所有的物理定律。

這個原理一方面說明了物理定律在所有慣性系中表述的形式是一樣的；另一方面，也說明不可能借助任何物理的實驗去識別這個慣性系究竟是靜止還是作勻速運動，或者更確切地說，在一個慣性系內做的任何種類的物理實驗都不能告訴這些實驗者所在的這個慣性系在做什麼樣的運動。

原理2可以看作是與原理1相容的結果。

麥克斯韋方程是在與地球固聯的一個靜止的參考系系中建立起來的，它揭示了電磁運動的普遍規律，按照原理1，它在不同的慣性系中，具有相同的表述形式。方程中包含電磁波的速度為C，是從屬於這個方程的，是這個方程的一部分，方程既然在各慣性系中形式都一樣，那波速也就不會隨不同的慣性系而發生變化，應當是一個與參考系無關的常數，這可以看作與原理1相容的必然結果。

原理1與原理2反映了自然界中的物質運動規律呈現了相對與絕對的辯證統一。

原理1指出我們描述自然界物體的運動，可以用不同的慣性系。因為不同的慣性系之間有相互運動，因此同一個運動物體在不同的慣性系會有不同的速度。但是，這些不同的慣性系是平權的，不存在一個特殊的、絕對的慣性系，這就是原理1中所說的“相對性”。然而，在無數個不同的慣性系中，表述的物理定律的方程形式上是一樣的，這就是原理的“絕對性”。

規律在自然界的存在是客觀的，並具有絕對的意義，而採用什麼樣的慣性系來表述它，卻是相對的。這就像黃山上的那棵迎客松，屹立在崇山峻嶺的懸崖峭壁上，這是自然界中的一種客觀存在，具有絕對的意義；許多攝影家、畫家、遊人從不同的方位、不同的時間，在自己的作品中表現這種存在，這又是相對的。這種相對包含著絕對，而這種絕對又只能用一種具體的、相對的形式才能表述，這裡揭示的就是這種相對與絕對之間的關係。

這篇論文似乎還揭示著一種歷史經驗。

1905年的論文中，愛因斯坦首先表述了光相對於一切慣性系中的觀察者都有相同的速度，是理論的必然結果，是一件很顯然的事情。事實上從我們的日常經驗出發，光速不變是一件異常古怪也不好理解的事情。邁克爾遜做了大量的實驗，卻不相信光速會不變，而愛因斯坦並沒有做實驗，卻在一張紙上寫出了真理。如此看來，在觀察與思考的相互作用中產生的自然科學，進展到某個關鍵時期，在尋找新的出路時，似乎思考會比觀測顯得更加重要。

這一理論的成功與其他任何理論一樣，只能透過與實驗的對照來作檢驗。這一理論不僅可以解釋全部已有的實驗事實，而且預言了新的效應，這些新效應又為後來的實驗所證實，至今還未曾發現任何一個實驗事實與狹義相對論相悖。狹義相對論的兩個假設（原理）是理論的基礎，可以匯出理論的全部內容。狹義相對論內涵豐富，預言正確，其簡單性和普遍性顯示了理論的一種美。

這顯然是一份十分完美的答卷。

五、他是如何寫出這張答卷的

寫出這張答卷，絕對不是一朝一夕的靈光一現。這裡積澱著愛因斯坦十年的深思；這裡有“零結果”的影響；這裡有從先賢的著作中汲取的靈感。

早在1895年，16歲的愛因斯坦，還在瑞士的阿勞中學讀書。他透過自學，已瞭解麥克斯韋的著作。麥克斯韋方程中的電磁波速度，使他困惑，使他陷入了沉思。

他想，如果麥克斯韋方程中給出的光速，是相對於一個特殊參考系的，那麼在另一個參考系中，光速就會發生變化，就會引出一些不可思議的事情。由此他想到了一個追光的假想實驗：“如果我以速度C追隨一束光線運動，那麼我就應當看到，這樣一條光線就好像是在空間裡振盪著而停滯不前的電磁波。可是無論是依據經驗，還是按照麥克斯韋方程，看來都不會有這樣的事情出現。”如果說愛因斯坦的理論從這裡的思考開始，那麼可以確切地說，是從對光速不變的思考開始的。

麥克斯理論說變化的電場產生磁場，變化的磁場又產生電場。按照伽利略速度變換原理，你趕上了光速，你與電磁波的速度一樣，你看到的電磁波不向前傳播了，此時電場不能產生磁場，同樣磁場也不能生成電場，電磁場將不復存在。

愛因斯坦的直覺告訴自己這是不可能的。但這種直覺也使愛因斯坦處在矛盾之中，如果追上的光線仍然要以光速運動，那光是如何運動的呢？這一定是伽利略的速度變換公式出了問題，難道這個速度變換的公式在高速運動情況下不能成立？

愛因斯坦也談到了邁克爾遜實驗“零結果”對他的影響。

1922年，愛因斯坦在日本京都大學做了著名的演講《我是怎樣創立相對論的》，可以幫助我們追溯一下他所走過的曲折而漫長的求索之路，可以看到“零結果”對他產生的影響。

第一個影響是使他認識到以太是多餘的。

愛因斯坦說：“我最早考慮這個問題時，並不懷疑以太的存在，也不懷疑地球穿過以太運動。”甚至他還設想用熱電偶做一個實驗，比較沿不同方向的兩束光線由於速度的不同，會導致放出的熱量不同來確定以太的存在。但是當得知邁克爾遜—莫雷實驗的“零結果”後，就很快得出結論：“如果我們承認這個‘零結果’的事實，則地球相對於以太的運動的想法就是錯的。這是引導我走向狹義相對論的第一步。”愛因斯坦後來則明確地提出“最明顯的一條路應該是認為並沒有以太這樣的東西”。

第二個影響是強化了慣性系中（包括地球）光學實驗結果是一樣的，或者說光學實驗不能檢驗慣性系（包括地球）是如何運動的。

在追光思想實驗中，愛因斯坦的直覺告訴自己，電磁現象在不同的慣性系中是一樣的。這就是說，在某慣性系中看到的電磁現象，是不能檢測出此慣性系的運動情況的。“零結果”強化了他的這種看法。他說：“我還在學生時代我就在想這個問題了，當時我知道了邁克爾遜的奇怪結果。不久我得出了這個結論：我認識到雖然地球在環繞著太陽運動，但地球的運動不能由任何光學實驗檢驗出來。”

如此看來，他的追光思想實驗，已經蘊含著相對性原理，知道了邁克爾遜實驗的結果，使他強化了這一看法。

如果去掉以太的假設，電磁學的定律——麥克斯韋方程在各個慣性參考系中又都能成立，那麼就能很好地解釋光速在各慣性系中是不變的，因為它是與電磁理論規律的一部分。因此只有把力學的相對性原理擴充到電磁學或所有的物理定律，光速不變成為一個必然的結果，一切矛盾也就迎刃而解了。

他接下來要做的工作是找到新的速度變換公式。

這種新的速度變換公式，要使得光速在不同慣性系中不變，也許就能使麥克斯韋方程在不同慣性系中形式不變；或者，反過來，找到在兩個勻速運動的慣性系中麥克斯韋方程具有同樣的形式（稱作協變性），即電磁學規律也服從相對性原理，光速在不同的慣性系中自然就一樣了。

愛因斯坦反覆地思考著這之間的變換。為解決這個矛盾，他整整用了一年的時間，突破口是對傳統時空概念的深入思考。

為了完成新的變換，愛因斯坦擷取了前人著作中的精粹，完成了對時空觀的偉大變革。

時空的變革有著深遠的歷史淵源。正如愛因斯坦所說：“是一條可以追索很多世紀的路線的一種自然發展的問題。”

絕對時空觀可以追溯到兩千多年前的亞里士多德，而牛頓對於絕對時空的描述且更為形象。空間與萬物無關，就像是一個無限巨大的、看不到邊際的空空的大箱子，萬物都可以裝在裡面；時間與萬物無關，就像是一隻鍾，均勻流逝的滴答聲對萬物都一樣。

18世紀，英國哲學家休謨提出了時間與空間的量度與物質運動不可分的觀點。他的時空觀的核心思想是，時空是對可見的、可感知的、可觀察的物質物件而言的，即要有物存在，有物的變化存在，才有時空可言——這是人類對於時空觀念的一個深刻而精闢的看法。

休謨的時空觀對愛因斯坦的思想發展具有明顯的直接影響，因為時空與物質運動不可分，而物體的上有的空間，可以用尺子量度；物體運動過程的長短，可以用鍾量度。因此愛因斯坦的第一篇關於相對論的論文，就是藉助於尺和鍾定義了空間和時間。

1880年，奧地利的物理學家馬赫在他的著作中對牛頓的絕對時空觀進行了分析，他認為時空的量度是與物質的運動分不開的，時空概念是透過經驗形成的，是從比較兩個事物的大小和變化的快慢中產生的。可是絕對時空沒有經驗的依據，是無根據的先驗概念——這是人類對於時空觀念又一個深刻而精闢的看法。

馬赫的觀點對愛因斯坦有很大的啟發，他在《恩思特·馬赫》一文中說：“馬赫曾經以其歷史性的批判著作對我們這一代自然科學家起過巨大的影響”，“馬赫卓越地表述了那些當時還沒有成為物理學家公共財富的思想。”

經典物理學中，物質的運動與時空是分離的，而愛因斯坦說：“空間-時間未必能被看做是一種可以離開物理實在的實際客體而獨立存在的東西。物理客體不是在空間之中，而是這些客體有著空間的廣延。因此，‘空虛空間’這個概念就失去了它的意義。”

馬赫對牛頓絕對時空觀的批判以及休謨的時空觀點，為愛因斯坦在潛意識中放棄時間的絕對性（同時的絕對性）概念打下了基礎，有了這樣一個基礎，改造伽利略的變換公式，就可能使得相對性原理擴充套件到電磁學、直至全部物理定律。

狹義相對論和廣義相對論的誕生，提出了一種嶄新的時空觀念，革新了物理科學中基本概念的框架，提出了一種與我們尋常經驗截然不同的新概念。

經過一段深入的思考後，愛因斯坦堅信光速是不變的，從而對伽利略的速度合成變換產生了懷疑。他從前人的哲學著作中吸取了營養，提出了時空觀念上的變革。

到1905年春天，光速不變和速度加法定則之間的矛盾，終於得到了解決。愛因斯坦說：“我的解決辦法是，分析時間這個概念，時間不能絕對定義，時間與速度之間有不可分割的關係，使用這個新概念，使我第一次完滿地解決了整個困難。”

愛因斯坦否定了絕對時空的觀念，也找到的新的方程的變換形式。這與先前洛倫茲提出的形式是一樣的，由於這樣的歷史的原因，這種變換方程就稱作洛倫茲變換。牛頓運動定律在伽利略變換下是形式不變的，但一定在洛倫茲變換下不是協變的，但在比光速小得多的情況下方程將轉化為與伽利略變換相一致的原有的方程形式。這種情況也包括其他的物理定律。

六、為什麼是他寫出了這部傑作

回眸1905前的這段科學史，建立狹義相對論的條件已經成熟，走到狹義相對論門口的學者中有洛倫茲、彭加勒和愛因斯坦等人，無論是學識的淵博或數學的水準，洛倫茲和彭加勒都要比愛因斯坦強，但為何不是由他們建立狹義相對論，而是由“初出茅廬”年輕的愛因斯坦來建立狹義相對論呢？

這是一個有意思的問題。

愛因斯坦在瑞士伯爾尼專利局用了大量的時間來讀書和研究。在哲學方面，他閱讀康德、休謨、馬赫等人的著作，吸納他們對於牛頓時空觀的批評和精闢的分析，為自己成功建立新的時空觀創造了條件；在物理方面，他閱讀伽利略、麥克斯韋、赫茲等人的著作，為建立新理論打下了紮實物理基礎。然而，一個人的成功不光是決定於他的勤奮、知識的積澱，還決定於他對這個世界的看法，他的思維模式和採用的方法。

愛因斯坦在少年時代就對哲學有濃厚的興趣，13歲時讀了康德的《純理性批判》；18歲時，大學二年級讀了馬赫的《力學及其發展的批判歷史概論》，這本書對牛頓力學的時空絕對性的批判，給愛因斯坦深刻的影響。

1902年—1905年，愛因斯坦在伯爾尼結識了索洛文和哈比希特，三個青年組成了“奧林比亞科學院”，他們每晚聚集在一起以極大的興趣和熱情研讀了斯賓諾莎、馬赫、休謨、亥姆霍茲、彭加勒、黎曼等人的科學和哲學著作，從這些大師們的經典著作中，愛因斯坦吸取了許多人類思想的精華。

斯賓諾莎關於自然統一性的觀念對愛因斯坦有深刻影響。他曾經聲稱：“我信仰斯賓諾莎的那個在事物有秩序的、和諧的存在中顯示出來的上帝，而不相信那個與人類的命運和行為有牽累的上帝。”他認為世界為什麼有秩序，為什麼有規律可循，而且可以用數學方程來表示這些規律，因為這個世界是上帝創造的，上帝是有智慧、有目的，所以上帝創造這個世界都會顯示一種和諧與統一，正是從這一原則出發，當愛因斯坦走到某個難題面前時，總會這樣想：如果我是上帝，將會怎麼做。

如果從哲學的層面來看愛因斯坦的工作。愛因斯坦相信這個世界本質上是和諧、統一的，由於這種信念，使他建立的理論有了下面的特色：一是理論基礎的公理化，就簡單幾條，然後匯出全部理論；二是描述這個世界的數學方程其內涵深刻和豐富，但形式簡單。

16歲時，愛因斯坦在假想的追光實驗中，根據伽利略的速度變換公式，他看到的將是一個靜止的波峰或波谷，然而麥克斯韋方程並沒有這樣的解。這就是說，麥克斯韋方程在一個高速運動的慣性系中將不能成立，電磁學不符合力學的相對性原理，自然界會是這樣的嗎？他相信這個世界的和諧與統一，正是從這個信念出發，他提出了他的相對性原理。

他在狹義相對論中提出的相對性原理，就是把伽利略的相對性原理，從力學範圍擴大到電磁學範圍，擴大到整個物理世界；廣義相對論的建立，透過引力場與一個加速系統的等效，否定慣性系的特殊優越地位，使得相對性原理進一步擴充套件為廣義相對性原理，使得表示自然規律的數學方程，對於任何參考系而言都應當具有相同的形式。

如果說牛頓是對天地間物體的機械運動找到了一種統一性，那麼愛因斯坦是對物質世界呈現的各種運動形式找到了一種統一性。這是為物理學找到了新的統一基礎，導致物理學進入了一個新的階段。

愛因斯坦認為世界是對稱的，電磁感應現象是一個線索：當磁鐵靠近線圈運動時，靜止的線圈中出現感應電動勢，可使線圈中出現電流；又當磁體靜止，線圈以相同的速度靠近磁體運動時，同樣會出現相同感應電動勢。這就給人們一個重要啟示：電磁感應的基本定律對於與磁體一起運動的觀測者或與線圈一起運動的觀測者是等價的。這就是說，在不同的慣性參考系中電磁定律表現形式是一樣的。愛因斯坦說，……這種對稱的電磁感應現象，迫使我必須做出相對性原理的公設，麥克斯韋方程對於不同的慣性系也應有相同的形式。

在《論動體的電動力學》這篇不尋常論文引言的開頭就舉出了磁體和導體運動的例子：“眾所周知，麥克斯韋電動力學——正如通常所理解的——當應用到運動物體時，會導致電磁現象中並非固有的不對稱。例如考慮一塊磁鐵與一個導體的電磁相互作用，這兒可以觀察到的現象僅僅取決於該塊導體與磁體的相對運動。”

對數學簡單性的追求是愛因斯坦創立相對論的目標，他在一次報告中說：“相對論是要從邏輯經濟上來改善世紀交錯時所存在的物理學基礎而產生的。”希臘時代畢達哥拉斯學派所倡導的追求“宇宙的數學和諧”的精神，是西方科學最具支配作用的基因。

馬赫在他的著作中強調，在科學中我們必須遵循一種節省思維的原則——建立的模型必須是極其節儉的，要包含儘可能少的引數。這就是“奧卡姆剃刀原理”——“最簡單的理論最可能是正確的理論。”

愛因斯坦拋棄了以太，拋棄了絕對運動、絕對時空，這就像剃刀那樣，乾淨利落地剃去了“曳引”和“收縮”等多餘的東西。他僅建立少數幾條公理化的假設，就架構了整個理論。這就突出了理論上的“數學的和諧”、“邏輯的經濟”、“思維的節省”。

在《拉普拉斯妖》的隨筆之二中，說到了運動的“光”或“粒子”總會選擇“取極小值”的那條路徑。這說明上帝在締造這個宇宙時，就蘊含著“數學上的和諧”、“邏輯上的經濟”這樣的指導思想，而愛因斯坦總是以“如果我是上帝，我會怎麼做”來指導自己的工作，這就使得愛因斯坦更接近上帝的想法，從而比別人更容易找到真理。

縱觀愛因斯坦的學術成就，具有三個鮮明的特徵。

首先，他是一位真正的獨立思考者和自由思想家。

從他的學生時代開始，就沒有被他的環境所束縛，無論是教育或宗教，都有自己獨特的理解和行為。與愛因斯坦的相關的某個文獻中，有這樣的記載“愛因斯坦搞的這一切完全依靠他自己，並不與任何科學院有所聯絡，也基本上沒有和他的同行者的前輩相接觸。”有充分的證據表明，他也沒有讀過洛倫茲、彭加勒1904年的兩篇論文。

其次，能對他的理論的未來的實驗結果做出明確的預言。

他的光電效應論文，9年後由密立根成功地完成檢驗；對布朗運動進行分析，證明原子存在的論文，4年後由法國科學家佩蘭透過實驗證明；他的狹義相對論與廣義相對論的論文，後來也被大量的實驗所證實。眾所周知的是1919年他提出了光線經過太陽附近會發生彎曲預言，被倫敦皇家學會愛丁頓等人攝下的日食照片所證實。

第三，他的理論假設的內容最少，解釋的現象最多。

與洛倫茲和彭加勒的工作相比較，愛因斯坦理論假設的數目最少，而解釋的現象最普遍。洛倫茲用了多個特定的假設：以太的存在，定義了局部時；彭加勒不放棄以太，不放棄牛頓的時空觀。愛因斯坦摒棄虛幻的以太，拋棄了那些想象中絕對的東西，從最簡單的、最一般的假設出發建立了理論。

愛因斯坦建立的廣義相對論方程，被世人譽為《上帝的方程式》，這個方程式在大量文獻中的長度通常不會超過4釐米，而它告訴人們許多驚人的結論：引力大處鍾走得慢；有物質存在的空間會發生變形；我們的宇宙並不是靜止與穩定的；……

愛因斯坦具有洞察大自然的超強的直覺和過人的智慧！

愛因斯坦具有一顆獨特的、強大創造力的偉大心靈！

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