愛因斯坦(8)_學達書庫

八

　　為此，他設計了一個使用兩個熱電偶的實驗：用幾面鏡子，把來自同一個光源的光反射到兩個不同的方向，一個與地球運動方向平行，另一個則方向相反。如果假設在兩條光束之間存在能量差，那末就能用兩個熱電偶測出所產生的熱量的差別，從而檢測出地球相對於以太運動而引起的光速的變化。可是他的老師不支持他，他也沒有機會和能力建造這種設備，事情就這樣不了了之。後來，當他正在學校思考以太流的問題的時候知道了邁克爾遜實驗的「零」結果。他很快意識到，如果承認邁克爾遜實驗的「零」結果符合事實的話，那末認為地球相對於以太運動的想法就是不正確的，應該拋棄以太這個頑結。

　　但是，如果沒有以太充滿整個宇宙空間，也就不可能有什麼絕對的靜止和絕對的運動了，因為物體不可能相對於虛無運動。所以他認為，只能是談一個物體相對於另一個物體，或者一個參照系相對於另一個參照系的相對運動。處於這兩個參照系中的觀察者都有同等的權利說：「我是靜止的，對方在運動。」如果沒有宇宙以太作為物體在空間中運動的公共參照系，我們就無法探測到這一運動。所以邁克爾遜的實驗沒有探測到地球相對於以太的運動，也就不足為奇了。

　　邁克爾遜—莫雷實驗的「零」結果也震動了當時的物理界。物理學家們提出了各種各樣的假說企圖解釋這一奇怪的結果。但是各種解釋都不能令人滿意，許多人仍然堅信以太的存在，邁克爾遜本人也是如此，洛倫茲也是如此。據說邁克爾遜一直到臨死還因他未能找到以太而深感遺憾。洛倫茲用修補的方法來挽救舊理論，他取消了以太的其它各種力學性質，但卻留下了以太惟一的性質即不動性，仍賦予與以太相對靜止的坐標系以特殊優越的地位。這位荷蘭物理學家於1892年在阿姆斯特丹科學院提出了收縮假說，即認為邁克爾遜實驗中，處於地球運動方向的

　　解釋邁克爾遜—莫雷實驗的結果。同時推論，所有固體穿過靜止以太時，都會在運動方向上產生同樣比例的收縮。在後來的工作中，洛倫茲又人為地引進了「當地時間」這個輔助量，建立了從靜止的以太坐標系到其它慣性坐標系的變換式，即著名的洛倫茲變換式，不過他並不理解這個變換式的物理意義。彭加勒、拉摩、伏格特等人也提出了一些接近於相對論的重要思想。

　　正當洛倫茲和彭加勒等人在為解決邁克爾遜—莫雷疑難而紛紛提出各種假說和觀點時，愛因斯坦也在他那伯爾尼專利局的辦公室中思考著電磁現象和光學中的疑難。即使推著嬰兒車在伯爾尼的街上慢慢行走，他也在想著問題，時不時地停下來掏出幾張紙片，匆匆記下一些符號和數字，又塞進口袋中去。除了看過洛倫茲1895年寫的一篇論文之外，他對彭加勒等人的工作幾乎一無所知。他在走著一條自己的路。

　　愛因斯坦在工業大學上學時，最使他著迷的就是麥克斯韋理論。當時老師在課堂上並不講授這些內容，因此他除了在物理實驗室外，其餘時間就通過亥姆霍茲、玻耳茲曼、赫茲等人的著作如饑似渴地學習麥克斯韋的理論。現在他發現，麥克斯韋電動力學即電磁場方程應用到運動的物體上時，就要引起一些不對稱，也就是說，麥克斯韋方程在靜止系中是正確的，而在相對於靜止系勻速運動的系統中就不正確了。他曾花了不少時間企圖修正麥克斯韋方程，可是沒有取得成功。

　　他還試圖用麥克斯韋和洛倫茲的電動力學方程來處理斐索關於菲涅耳拖動係數的實驗，可是同樣遇到了問題。他相信這些方程是正確的，它們恰當地描述了實驗事實。他也相信，既然沒有絕對靜止，那末這些方程在運動參考系中應當和在所謂靜止參考系中一樣有效，可這樣會導致光速不變的概念。而這個概念又和力學中使用的速度相加定律相矛盾。為什麼這兩個概念相互矛盾呢？問題在什麼地方呢？他覺得這個問題解決起來很難，幾乎用了一年時間，他試圖解決這個問題，但一無所得。

　　對於洛倫茲等人提出的收縮假說，愛因斯坦認為，它們是以承認存在一種靜止的不動的光以太為基礎，而且引進這種假說雖然可以在形式上消除理論同邁克爾遜—莫雷實驗的矛盾，但是這看來只是一種拯救理論的人為方法。他不滿意這種做法。他認為，邁克爾遜實驗等這一類企圖證實地球相對於以太運動的實驗的失敗是必然的。同時，他相信麥克斯韋和洛倫茲的電動力學方程式是正確的，因為不存在什麼絕對靜止，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，對於電動力學和光學的定律也一樣適用，這是一條基本的原理即相對性原理。同時，也應很自然地承認另一條原理，即光速不變原理。以這兩條原理作為公設，再根據靜體的麥克斯韋理論，他想，應該足以得到一個簡單而又不自相矛盾的動體電動力學。可是怎樣才能最後解決這個問題呢？

　　米歇爾·貝索是愛因斯坦在伯爾尼專利局的一位非常要好的同事和朋友。貝索在哲學、社會學、醫學、技術、數學和物理學方面有淵博的知識，而且他具有接受新思想和給它增加某些非常重要的欠缺的線條的驚人能力。愛因斯坦稱他是在全歐洲都找不到的「新思想更好的共振器」。有了什麼問題，愛因斯坦很喜歡與貝索進行交鋒和討論。在一個非常晴朗而美好的日子，愛因斯坦帶著他一直苦苦思索的問題去找貝索，他對貝索說：「最近我在研究一個困難的問題，今天找到這裡來，是想和你一起攻破這個問題。」於是他和貝索討論了這個問題的各個方面。第二天早晨起床時，突然一個思想的閃光飛過他的腦海，「對於一個觀察者來說是同時發生的兩個事件，可是對別的觀察者來說，就不一定是同時的」。他抓住這一靈感經過仔細分析，終於找到了問題的關鍵。接著他又趕快到貝索那裡，沒有打招呼就直說：「謝謝你。這個問題我已經完全解決了。」

　　愛因斯坦最後解決問題的突破口是對時間概念的分析。他想到，時間是不可能絕對地定義的，在時間和信號速度之間一定存在著不可分割的聯繫。用這個新的概念，他才感覺到第一次有可能完全解決所有困難。他認為，為了擺脫困難，只需要準確地表述時間概念就行了。「需要認識的僅僅是人們可以把洛倫茲引進的，他稱之為『當地時間』這個輔助量直接定義為『時間』。如果我們堅持上述時間的定義，並把伽利略的變換方程用符合新的概念的變換方程來代替，那麼洛倫茲理論的基本方程就符合相對性原理了。這樣，洛倫茲和斐茲傑惹的假說就像理論的必然結果」。在5個星期之內，他就完成了這篇光輝的論文《論動體的電動力學》。他建立了新的時間概念，從狹義相對性原理和光速不變原理出發，推出洛倫茲變換，順利地創立了狹義相對論。在這之後，他又寫了一篇論文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》，發表于同年的《物理學雜誌》上。這項研究是對前一研究的一個重要補充，它導致了一個非常有趣的結論，這個結論為以後的原子能的利用奠定了理論基礎。那末，狹義相對論告訴了我們什麼呢？

　　空間和時間的統一性

　　自古以來，空間和時間都被看成是兩個完全無關的獨立實體，偉大的牛頓在其《自然哲學之數學原理》中寫道：

　　絕對空間就其本性來說與外界任何事物毫無關係，它永遠是同一的、不動的。

　　絕對的、起初的數學時間本身按其本性來說是均勻流逝的，與外界任何事物無關。

　　牛頓關於空間的定義暗示著對於空間中的運動存在一個絕對參照系，而他的時間定義則意味著存在一個絕對的計時系統。但是實驗證明了光速的不變性，這就打破了絕對的空間和絕對的時間。

　　我們設想有一列很長的火車，以恒速在軌道上行駛（參見圖2）。我們可以把鐵路路基看作是一個特定的參考物體，在這列火車上旅行的人們也可以很方便地把火車當作剛性參照物體，他們參照火車來觀察一切事件。因而，在鐵路線上發生的每一個事件，也在火車上某一特定的地點發生。那麼，我們考慮一下，對鐵路路基來說是同時的兩個事件（例如A、B兩處雷擊），對於火車來說是否也是同時的呢？

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