第8章 狭义相对论(1)
爱因斯坦是相对论的创始人，相对论无疑是他最重要的成就。与其他研究工作相比，相对论对自然科学思想体系产生了更深远的影响，它的作用远远超出哲学思想的范畴。
它引起了一场最激烈的争论，也正是通过这场争论及以后的实践，让全世界的人都了解到了爱因斯坦的伟大。
1905年，爱因斯坦在《物理学年鉴》上发表了长达30页的论文《论动体的电动力学》。这篇文章宣告了相对论的创立。1905年，还在这一杂志上，他以题为《物体的惯性同它所包含的能量有关吗》一文又作了重要补充。这两篇论文都收集在1913年相对论重要的历史文献《相对论原理》一书中，与读者再次见面。对于爱因斯坦在相对论中研究的问题，当时物理界的看法是不同的。
19世纪，先是光学的机械理论居于统治地位。这种理论认为，光是一种称之为“光以太”或简称“以太”的弹性介质的波动。以太能穿透一切物体，而又不影响物体的运动。但是，事实上，光学研究的新成果愈来愈难以符合机械以太假说。于是，物理学家断言，可以把光看做是以太的一种特殊“状态”。这种状态被看成是电磁力场，法拉第把它抽象地引进自然科学领域，而后又被麦克斯韦用抽象得出奇的数学公式进行概括。
光以太学说与牛顿力学所引出的“绝对空间”理论紧密相连。牛顿认为：“绝对空间由于它的本性以及它同外界事物的无关；它永远是同一的和不动的。”
于是，牛顿认为可以把以太看做是绝对参考体系，它决定了世界上一切运动的永恒的绝对状态。
牛顿进而认为，也存在着“绝对时间”。他说：“绝对的、真正的数学时间自身在流逝着，它的本性是均匀的，它的流逝同任何外界事物无关。”
这种观点认为，时间在均匀地流逝，并且想像在宇宙中有一种“标准钟”，人们可以从放在任意地方的这种钟上读出“绝对时间”。后来，牛顿又谈到了“绝对运动”，这是由“绝对空间”和“绝对时间”联想到的。他给“绝对运动”下定义，亦即“物体从一绝对地点转移到另一绝对地点”。
绝对时间和绝对空间是牛顿力学的根基。然而牛顿的绝对时间和绝对空间两者之间有明显的毛病：既然绝对时间和绝对空间同任何外界事物都没有关系，那么怎样才能知道它们存在呢？这个问题，牛顿没办法回答。他只能说，绝对时间和绝对空间是上帝的创造。后来，康德又把绝对时间和绝对空间说成是先验的。先验的意思就是先于经验，人一生下来就有的。这样，牛顿和康德把绝对时间和绝对空间捧上了先验的王国，不许有人对它们加以怀疑。
到了19世纪，马赫又对牛顿的时空概念作了有力的批判，但还是没有推翻。这是因为要改变时间和空间的概念，客观条件还没有成熟。此外，实验物理学也使人们对牛顿关于时空和运动的教条产生极大的怀疑。地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着太阳转动。我们的太阳系以每秒20公里的速度在宇宙中飞驰，最后是我们的银河系，它与其他遥远的银河系相比，以相当高的速度不停地在运动。那么，要是光以太是静止存在于“绝对空间”之中，并且天体穿过它运行，这种运行的结果对于光以太来说必然是显著的，而且使用精密的光学仪器也一定能够验证“以太风”。
美国物理学家麦克尔逊做了第一个实验。他出生于波兰，1881年曾在柏林和波斯坦做过亥姆霍兹奖学金的研究生。他的实验由于实验装置不够齐全，结果说服力不够强。6年以后，麦克尔逊在美国使用亲自设计的高精度镜式干涉仪，同莫勒合作重复了他以前的实验。这台新式测试仪是如此的精确，以致于仪器本身受“以太风”的影响都能清晰地显示出来。但是这次实验以后的多次反复实验，都没有看到那种现象。这个实验证明光速完全是恒定的，与光源和观察者的运动都无关。“麦克尔逊实验”是物理学史上最著名的实验之一，也是相对论的基本实验。爱因斯坦十分钦佩麦克尔逊的实验技巧。
麦克尔逊的实验得到的结果，彻底否定了光以太的存在。此后还有人想使虚构的以太假说与光速恒定的事实一致起来，从而来“拯救”以太假说。1895年，荷兰物理学家洛伦兹假定，快速运动物体在运动方向上会产生机构收缩（“洛伦兹收缩”），为的是用这种方法在机械世界观范畴内把麦克尔逊实验结果跟光以太和绝对空间捏合起来。这种设想尽管十分巧妙，但这种人为的假想，不仅明显带有目的性假说的性质，而且从长远看来不会使理论物理学家满意。
麦克尔逊的实验结果使理论物理学家陷入难以自拔的思维困境，又像是一个系在人们心头达10年之久的、无法解开的死结，但它被年轻的爱因斯坦解开了。
1905年，爱因斯坦提出了相对论，他把作为光波载体的以太，从物理学世界中清除出去了。他认为，光以太原本只是物理学界的一个“幽灵”，他把独立的物理实体——电磁场请出来，坐在以太的位置上，这也是崭新的、勇敢的行动。尽管法国物理学家彭加勒在他之前就曾提过应该抛弃以太假说，但是他没能把这种想法变成新的自然观的基础。
“无以太物理学”是爱因斯坦思想的重要成果之一。
爱因斯坦狭义相对论思想的产生，最早源于16岁时一直困扰着他的一个问题。在1895年进入阿劳中学上学时，他已比同龄的中学生掌握了更多的物理方面的知识。他对探索自然奥秘有着无比浓厚的兴趣，时常一个人静静地思考一些科学特别是物理学方面的问题。一天，他突然想到这样一个问题：假如一个人以光速跟着光波跑，那么他就处在一个不随时间而改变的波场之中。也就是说，应该看到这条光线就好像一个在空间振荡而停滞不前的电磁场。然而看来不会有这种事情。这个问题他一直想搞清楚，并为此沉思了10年。
1896年爱因斯坦进入苏黎世联邦工业大学以后，继续思考着关于运动物体的光学特性的问题。对于当时物理学中流行的光是通过以太这种特殊的介质来传播的观点，一开始他也是毫不怀疑的。但他想，光通过以太的海洋传播，那么地球也应是在以太中运动的，反过来说，以太应有相对于地球的运动。这应该可以通过实验来加以验证。因此他就去查阅有关这方面的资料。可是他查遍了所能找到的物理学文献，都没有找到关于以太的明确的实验证据。于是他想亲自来验证一下。为此，他设计了一个使用两个热电偶的实验：用几面镜子，把来自同一个光源的光反射到两个不同的方向，一个与地球运动方向平行，另一个则方向相反。如果假设在两条光束之间存在能量差，那么就能用两个热电偶测出所产生的热量的差别，从而检测出地球相对于以太运动而引起的光速的变化。可是他的老师不支持他，他也没有机会和能力建造这种设备，事情就这样不了了之。后来，当他正在学校思考以太流的问题的时候知道了麦克尔逊实验的“零”结果。
他很快意识到，如果承认麦克尔逊实验的“零”结果符合事实的话，那么认为地球相对于以太运动的想法就是不正确的，应该抛弃以太这个顽结。但是，如果没有以太充满整个宇宙空间，也就不可能有什么绝对的静止和绝对的运动了，因为物体不可能相对于虚无运动。所以他认为，只能是谈一个物体相对于另一个物体，或者一个参照系相对于另一个参照系的相对运动。处于这两个参照系中的观察者都有同等的权利说：“我是静止的，对方在运动。”如果没有宇宙以太作为物体在空间中运动的公共参照系，我们就无法探测到这一运动。所以麦克尔逊的实验没有探测到地球相对于以太的运动，也就不足为奇了。
数学家闵可夫斯基曾是爱因斯坦在联邦工业大学上学时的老师。当年爱因斯坦经常逃课，闵可夫斯基骂他“懒胚”。当爱因斯坦《论动体的电动力学》发表以后，闵可夫斯基很快理解了，并看到了这篇论文的深刻意义。他实在没有想到，曾被他骂为“懒胚”的学生，现在竟写出了如此深刻的论文。闵可夫斯基是搞数学的，他从数学的角度认真地思考了爱因斯坦的理论，结果得到一种非常美妙的描述狭义相对论的数学方法。
闵可夫斯基的论文在1907年发表。第二年夏天，在科隆举行的“德国自然科学家和医生协会”第80届年会上，他做了一个报告，宣传相对论的思想，题目是“空间和时间”，其中有一段著名的话：
“先生们！我要向诸位介绍的空间和时间的观念，是从实验物理学的土壤中生长起来的，这就是它们力量的所在。
这些观念是带有革命性的。从现在起，空间自身和时间自身消失在阴影之中了，现实中存在的只有空间和时间的统一体。”闵可夫斯基的报告引起了与会者的巨大反响。可惜3个多月后，疾病就夺去了他年仅44岁的生命。去世前，他万分遗憾地说：“在发展相对论的年代里死掉，真是太可惜了。”
闵可夫斯基所提出的思想是将时间作为三个空间坐标之外的第四个坐标，这样，一个系统相对于另一个系统的运动，可以看成是这个四维坐标架的转动。由此就可以很清晰地刻画狭义相对论的原理和相对论效应。
爱因斯坦的狭义相对论把长度缩短看做是观察者从一个运动的系统去观察物体时所看到的一种表观的空间收缩。
空间的收缩和时间的膨胀对于两个处于相对运动状态的系统来说是对称的。空间距离一缩短，时间间隔就加长。
要使一种变革传统观念的新思想或新理论为人们普遍所接受，往往需要一个相当长的过程，这在科学史上是不乏其例的。爱因斯坦的论文发表以后，大约经过了4年时间才开始较多地引起人们的关注。然而，《论动体的电动力学》这篇论文的理论并不深奥，数学运算也极为简单，以致德国著名数学家希尔伯特说：“在我们数学的哥廷根大街上任何一个男童的四维几何知识都比爱因斯坦多。尽管如此，在这方面成绩卓著的却是爱因斯坦，而不是数学家。”问题就在于，爱因斯坦具有超人的对自然奥秘的深刻洞察力，敢于冲破传统的创造精神和深信宇宙完美和谐的坚定信念。
这里介绍一下相对论的两条基本原理：相对性原理与光速不变原理。
所谓相对性原理：在两个相互做匀速直线运动的参照系中，一切自然定律都是相同的。