愛因斯坦(29)_學達書庫

二九

　　「觀察者」的運用和實驗物理學大師

　　愛因斯坦在普林斯頓的書房外面有一個花園。正當美國絢爛秋色盡收眼底的時候，有一次，他對英費爾德說：「從這個窗戶看出去，景色多美啊！」英費爾德回憶說，這是愛因斯坦一整天來所講的第一句，也是唯一的一句與物理學無關的話。愛因斯坦打開了一扇窗戶，窗外是別有一番天地。

　　愛因斯坦的摯友M.貝索曾經給愛因斯坦寫信，將相對論的發展歸功於思辨，從而使思辨顯得比經驗更為高超。愛因斯坦讀這封信後簡直生氣了，於是回信予以反駁，他申明相對論的發展所啟示我們的，恰恰與貝索的結論相反，那就是，一個理論如果要得到人們的信任，就必須建立在可以普遍推廣的事實之上。狹義相對論所根據的是光速不變性，真空中的麥克斯韋方程所依據的也是經驗基礎，勻速平移的相對性無疑也是經驗事實。廣義相對論的根據是：慣性質量同引力質量的相等。愛因斯坦提出自己的結論，從來沒有一個真正有用的和深刻的理論果真是靠單純思辨去發現的。愛因斯坦在倫敦皇家學院演講時再次肯定地說到相對論，他說：「回到相對論的本身上來，我急於要請大家注意到這樣的事實：這理論並不是起源於思辨；它的創建完全由於想要使物理理論盡可能適應於觀察到的事實。」

　　從愛因斯坦第一篇相對論的論文起，就有觀察者的字樣出現於其中。從愛因斯坦創建相對論以來直到今天，人們論述相對論時照樣引進觀察者。觀察者是愛因斯坦和愛因斯坦理論論述的一大特色。之所以出現這樣一個觀察者，一要聯繫愛因斯坦治學的特長，二要聯繫他學說的深奧邃密。為了通俗解釋的需要，以觀察者的敘述使人易於理解，這是一方面。更重要的是，觀察者涉及到愛因斯坦創建相對論的思想方法的特長，在科學研究的價值上具有不可替代的普遍性。

　　愛因斯坦對作思想實驗極為擅長，這從他初登科學舞臺以來就引人注目。在他為自己的理論辯護的時候，這一點又顯得特別醒目。對於愛因斯坦來說，做思想實驗是他從事科學研究不可缺少的有力手段。進行一個思想實驗，有它的目的和條件，有思想實驗所必備的設備和測量工具（指概念上的），有嚴格的測定方法和操作手續，有實驗的有效性標誌和實驗結果，還有必不可少的從事實驗的觀察者。

　　觀察者在愛因斯坦的思想實驗中或者公開露面或者進行遙控。因此，在他們設計中，愛因斯坦列車之內和之外有觀察者，升降機內外有觀察者，轉動的圓盤內外有觀察者。

　　觀察者是論證的一種方法和表述的一種方式。就其在思想實驗中的角色作用而言，觀察者就是測量的記錄者。相對論中的觀察者，其作用可以一句話來說明：記錄發生在同一空一時點的物理事件。同時性在相對論中具有重要的地位，可以說觀察者的作用就是將發生在同一空一時點的一對事件記錄下來。例如，「在這個觀察者看來，那列火車7點鐘到達這裡」，這句話的意思是說，這個觀察者將「鐘的短針正指到7」，同「那列火車到達這裡」這兩個同時事件記錄下來。

　　進而言之，相對論中的觀察者更在於強調，靜止的觀察者與運動的觀察者對同樣的物理事件記錄的測量結果不同。之所以不同，乃是由於他們對於參照系所處的地位不同，其中之一是靜止的，另一個則是運動的。每一位觀察者都處於一定的坐標系之中，相對於自己的坐標系他是靜止的。兩個坐標系作相對運動，它們之中的不同觀察者也處於相對運動之中。一個觀察者不但可以記錄自己參照系中的位置和時間量度，而且也可以記錄作相對運動的另一個參照系中的時間量度。即使一個觀察者僅限於用自己坐標系中的儀器進行觀測，也不妨礙他可接收其他參照系中觀察結果的信息。

　　觀察者都是理想性設計的，但他們卻作用於實測與觀察，這就是愛因斯坦理論特色的反映。

　　愛因斯坦在談到相對論的成就時，喜歡舊這樣的表達方式：達到什麼什麼的協調、統一，消除了什麼什麼的不對稱。選擇這樣的字眼和表達方式並不完全出自於偏愛，就理論思考的思路來說，從形式上就顯示出了愛因斯坦意識到追求理論的統一，是他從事物理研究的直接目標。從傳統的經典觀念看來，真空中光速不變假設與相對性原理是不相融洽的。這是麥克斯韋電動力學發展道路上的重大障礙。愛因斯坦為解決這一難題，選擇的思路是這樣的：一方面，確認相對性原理受到經驗事實支持，是正確的；另一方面，又必須承認光在真空中傳播的速度為一恒量。這兩個公設不可否棄其一，出路在於將二者結合起來。結合的結果得到有關物理事件的空間坐標和時間坐標在量值上的變換定律——洛倫茲變換。在愛因斯坦的推理過程中，光的傳播定律起了重要的作用，也就是將光速不變原理納入相對性原理的適用範圍。

　　愛因斯坦因此為總結狹義相對論的成就時提出：

　　1.它使力學和電動力學相互協調了。

　　2.它將電動力學中原來互不相關的假設作了簡明的綜合和概括。

　　3.它使空間和時間的概念統一了。

　　4.它把動量守恆定律和能量守恆定律聯結起來，揭示了質量和能量的統一。

　　新的理論獲得了更大的統一性和更大的簡明性。在理論預言方面，狹義相對論並沒有對原有理論作出多麼大的修改，但在質的方面，則使得理論的結構大為簡化，簡化了定律的推導，減少了構成理論基礎的獨立假設的數目。

　　愛因斯坦為創建這一新理論其思路的關鍵是擴大相對性。在狹義相對論的創建過程中，擴大相對性表現為擴大運動的相對性，即將相對性擴展到一切運動，不給絕對運動留下任何餘地，不允許有為絕對運動存在所必需的特別優越的參照系，只允許相對運動存在。擴大相對性還可以從另一意義上得到理解，那就是將相對性原理的適用範圍擴大，將其有效地應用於真空中光速不變原理。上述兩種理解對於狹義相對論在邏輯上都是適用的。

　　擴大相對性作為一種方法，它具體的內容究竟何指？愛因斯坦曾經舉過這樣兩個例子：

　　假設有兩個實驗室，一個設在曠野，一個設在火車上，火車以固定的速度向一個方向行駛，兩個物理學家各自在一個實驗室裡使用同樣的儀器，得出同樣的結果來。

　　愛因斯坦說持有這樣看法的理論就是狹義相對論。他又以另一個例子說明相對性。

　　「如果您在一個漂亮的姑娘身旁坐一個小時，你只覺得坐了片刻；反之，你如果坐在一個熱火爐上，片刻就像一個小時。這就是相對的意義，這當然是好懂的」。愛因斯坦接著又詼諧地反詰說：「如果有人存有懷疑，而又想試驗一下的話，有誰不會寧願做那個同姑娘坐在一起的人，而把火爐留給懷疑者呢？」

　　在愛因斯坦看來，擴大相對性與理論探索中所發現的問題和問題境況有關，也就是說，擴大什麼樣的相對性，著眼於什麼對象，需要依據具體問題和具體的情況而定，因而是不同的。但就方法論的道義而言，擴大相對性則具有普遍性。

　　在狹義相對論建立之後，愛因斯坦繼續沿著擴大相對性的理論思路朝向更加統一的新理論進軍。物理學前輩普朗克對此很不理解，他對愛因斯坦說過：「現在一切都能明白地解釋了，您為什麼又忙於另外一個問題呢？」

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