▲愛因斯坦（Albert.Einstein，1879年3月14日—1955年4月18日），出生于德國符騰堡王國烏爾姆市，畢業(yè)于蘇黎世大學(xué)，猶太裔物理學(xué)家。
作者 胡翌霖 (清華大學(xué)助理教授)
責(zé)編 許嘉芩 劉愈
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愛因斯坦（1879-1955）的狹義相對論最終完美解釋了邁克爾遜實(shí)驗(yàn)，從而讓這個實(shí)驗(yàn)變成了對以太的否證。但愛因斯坦的出發(fā)點(diǎn)并不是要解釋邁克爾遜實(shí)驗(yàn)，他是從某種更根本的理論問題開始思考的。
愛因斯坦經(jīng)常提及相對論的思想源于他在16歲（圖1）時做的一個思想實(shí)驗(yàn)，他說道：
“如果我以速度c（真空中的光速）追趕一束光，那么我就應(yīng)當(dāng)看到，這束光就好像一個在空間里振蕩著而停滯不前的電磁場。可是，無論是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還是按照麥克斯韋方程，似乎都不會有這樣的事情。從一開始，在我直覺地看來就很清楚，從這樣一個觀察者的觀點(diǎn)來判斷，一切都應(yīng)當(dāng)像一個相對于地球靜止的觀察者所看到的那樣按照同樣的一些定律進(jìn)行。因?yàn)椋谝粋€觀察者怎么會知道或者能夠確定他是處于快速的勻速運(yùn)動狀態(tài)呢？由這個悖論我們看到，狹義相對論的萌芽已經(jīng)蘊(yùn)藏其中了?！?/span>
▲圖1 愛因斯坦在1894年
這個思想實(shí)驗(yàn)的悖謬之處，表面上看，就是說一個“凍結(jié)的波”在直覺上難以接受，但深層上說，這提示出牛頓與麥克斯韋之間早已存在的某種不協(xié)調(diào)之處。
我們知道，從伽利略到牛頓，經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)給出了原始版本的“相對性原理”，簡單來說，就是在勻速運(yùn)動的船艙內(nèi)（通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)）你是無法發(fā)現(xiàn)自己究竟是靜止還是運(yùn)動的。地球在高速運(yùn)動，而這種運(yùn)動我們感覺不到，這就是相對性原理的體現(xiàn)。準(zhǔn)確地說，就是力學(xué)的規(guī)律在一切“慣性系”中保持不變。無論是在地面上，還是船艙內(nèi)，還是太空梭中，只要一個力學(xué)系統(tǒng)整體保持勻速運(yùn)動，相互之間的力學(xué)規(guī)律應(yīng)該是一致的。
但這里保持一致的力學(xué)規(guī)律僅限于牛頓力學(xué)，那么麥克斯韋的電動力學(xué)又如何呢？電動力學(xué)的規(guī)律在不同的慣性系中仍然保持一致嗎？在高速運(yùn)動的參照系內(nèi)麥克斯韋的方程組需要重寫嗎？
按照愛因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)，麥克斯韋方程肯定是要重寫了，從牛頓力學(xué)的角度看，以光速運(yùn)動的參照系仍然是一個慣性系，其中的牛頓力學(xué)規(guī)律仍然一致，但電磁波都凍結(jié)了，電動力學(xué)肯定就失效了。
另一個不協(xié)調(diào)處也讓愛因斯坦難以忍受，在電磁感應(yīng)方面，磁體和線圈之間只要相對運(yùn)動就會產(chǎn)生電流，但這個相對運(yùn)動在經(jīng)典力學(xué)中并未得到統(tǒng)一解釋。當(dāng)磁體運(yùn)動時，解釋是磁體在以太中運(yùn)動會產(chǎn)生電場，而當(dāng)線圈運(yùn)動時，解釋是線圈在磁場中運(yùn)動會產(chǎn)生電流，這兩種解釋是不對稱的。而根據(jù)相對性原理，磁體相對于線圈運(yùn)動與線圈相對于磁體運(yùn)動應(yīng)當(dāng)是完全等價的。
所以說愛因斯坦其實(shí)并不關(guān)心邁克爾遜實(shí)驗(yàn)的問題，他關(guān)心的是理論內(nèi)部的協(xié)調(diào)性。狹義相對論的出發(fā)思想說來也很簡單，就是要在電動力學(xué)里頭貫徹相對性原理，也就是說，在不同的慣性系中，電磁學(xué)規(guī)律也保持不變。
▲圖2 愛因斯坦在1904年
于是愛因斯坦1905年提出狹義相對論的論文叫做“論動體的電動力學(xué)”，就是要討論電動力學(xué)的一致性。
伽利略已經(jīng)說過，在一個密閉的船艙內(nèi)部，通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)，是無法確認(rèn)這艘船究竟是靜止還是勻速直線運(yùn)動的，那么愛因斯坦認(rèn)為，通過電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)也應(yīng)該同樣無法確認(rèn)才對。
而傳統(tǒng)的電磁學(xué)理論是依賴以太這一彌漫在全宇宙的介質(zhì)的，而以太的存在提供了一個絕對的參照系，因此通過電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，也就是參照以太，理論上就可以區(qū)分出絕對的運(yùn)動和靜止。把相對性原理貫徹到電磁學(xué)，勢必就要放棄靜止的以太背景。
要讓電磁學(xué)規(guī)律在慣性系中保持不變，一種辦法是改寫電磁學(xué)規(guī)律，即麥克斯韋方程，愛因斯坦也嘗試過，結(jié)果無法讓人滿意。另一種辦法就是保留麥克斯韋方程，認(rèn)為在一切慣性系保持一致的電磁學(xué)規(guī)律恰好就是麥克斯韋方程。
而麥克斯韋方程中包含一個常數(shù)c，就是真空中的光速。如果要讓麥克斯韋方程在一切慣性系下保持不變，那就意味著光速不變。
所以整個狹義相對論基于兩條基本假說，一是相對性原理，二是光速不變。其實(shí)歸根結(jié)底，關(guān)鍵就在于堅(jiān)持測量的相對性。
但是要把這兩條假說統(tǒng)一起來并不容易，因?yàn)檫@兩條假說似乎是矛盾的，比如你在一列疾馳的火車上向車頭方向發(fā)射一束光，你測量到的光速是c，那么站在站臺上的我看見你從疾馳的火車上發(fā)射光束，那么我測量到的這束光的速度難道不應(yīng)該是你相對于光速的速度c再加上我相對于你的速度，也就是火車的速度嗎？怎么保持光速不變呢？
愛因斯坦在1905年某天與好友貝索聊天時靈光一閃，想到了其中的關(guān)鍵。關(guān)鍵就在于“測量”這件事情也是相對的。要測量光速，你需要計(jì)時器，但“計(jì)時”這樣一種活動究竟是什么意思呢？計(jì)時無非是某種對照不同事物的“同時性”的活動，我們說6點(diǎn)開始上課，意思是如果我們在聽到上課鈴打響的同時看手表，手表的指針恰好指向6點(diǎn)，如果我的手表不夠準(zhǔn)確，我只能尋找另一個更權(quán)威的計(jì)時器來校準(zhǔn)。并沒有一個超越于一切事物，游離于所有時鐘之外的絕對的時鐘，然后我們測量時間的時候拿著那個絕對時鐘來對照。
既然時間的測量總是在兩個相對的事物之間對照，那么，對于不同參照系下的測量者來說，這種對照的結(jié)果一定是一致的嗎？愛因斯坦說，未必如此。
愛因斯坦舉了一個例子來說明這件事情（圖3），一個人在一輛飛馳的火車上，另一個人站在靜止的站臺上?，F(xiàn)在，站臺上的人觀測到火車頭尾兩端的A、B兩點(diǎn)“同時”被閃電擊中，因?yàn)楣鈴膬啥藗鞑サ街虚g所需要的時間是一樣的。但對于火車上的觀察者來說，當(dāng)光從兩端傳播到他眼睛里時，他已經(jīng)隨著火車往前走了一段路，因此后端的閃光需要多傳播一定距離才被看到，這樣一來在他眼中這兩道閃電并非同時。
▲圖3
那么究竟誰說得對呢，究竟這兩道閃電誰先誰后呢？這里并沒有一個絕對正確的答案。站在靜止的站臺上的測量者才是正確的嗎？但靜止和運(yùn)動是相對的，我們可以說火車相對于站臺運(yùn)動，也可以說站臺相對于火車運(yùn)動?；蛘呶覀儾环猎O(shè)想情況發(fā)生在兩列火車之上（假設(shè)它們在看不見外部的虛空中運(yùn)行），這兩列火車上的人只知道他們之間有相對運(yùn)動，但不知道誰絕對運(yùn)動，或誰絕對靜止。那么對于同樣兩個事件，一列火車上的人認(rèn)為是同時發(fā)生的，另一位火車上的人認(rèn)為不同時，誰對誰錯呢？這兩人之間永遠(yuǎn)無法爭出個所以然來，除非請出第三輛火車上的人幫他們裁決，但第三輛火車憑什么是對的呢？
所以愛因斯坦的結(jié)論是，不存在絕對時間。對時間和空間的測量都依賴于各自的參照系，在站臺上的人看來，火車上的人所使用的鐘表變慢了，他們的尺子也縮短了，測量的相對性保證了光速的絕對性。
狹義相對論還有一些重要的推論，比如無法把任何物體加速到光速，以及著名的公式E=mC2。
▲《過時的智慧——科學(xué)通史十五講》
【本文摘自《過時的智慧——科學(xué)通史十五講》第十五講 相對測量：20世紀(jì)物理學(xué)革命，上海教育出版社，2016年7月出版?！?/span>
