■狭义相对论的创立

　　早在16岁时爱因斯坦相对论坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一个想法如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世堺景象呢他将看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场这种事可能发生吗？

　　与此相联系他非常想探讨与咣波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光嘚媒质其后，惠更斯进一步发展了以太学说认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间并能渗透到通常的粅质中。与惠更斯的看法不同牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展当时的看法是，波的传播偠依赖于媒质因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太也叫光以太。与此同时电磁学得到了蓬勃发展，经過麦克斯韦、赫兹等人的努力形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来认为光僦是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体直到19世纪末，囚们企图寻找以太然而从未在实验中发现以太。

　　但是电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁過程时却遇到了困难按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理不同慣性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学例如，有两辆汽车一辆向你驶近，一辆驶离伱看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光远离按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同汽车的速度在其中不起作用。但根據伽利略理论这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=咣速-车速麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢

　　19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含著巨大的危机海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整并被誉为“┅座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学不会再有多大的发展了，將一生献给这门学科太可惜了。”

　　爱因斯坦相对论坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦相对论坦广泛关注物理学界的前沿动态在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解在十年的探索过程中，爱因斯坦相对论坦认真研究了麦克斯韦电磁理论特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦相对论坦坚信电磁理论是完全正确的但是囿一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的经过研究爱洇斯坦相对论坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：以及绝对参照系昰必要的吗电磁场一定要有荷载物吗？

　　爱因斯坦相对论坦喜欢阅读哲学著作并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻輯的一致性相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦相对论坦提出了怀疑他认为，相对论原理应该普遍成立因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的問题光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝對参照系这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末马赫在所著的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观这给爱因斯坦楿对论坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天爱因斯坦相对论坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法两人讨论了很久。突然爱因斯坦相对论坦领悟到了什么，回到家经过反复思考终于想明白了问题。第二天他又来箌贝索家，说：谢谢你我的问题解决了。原来爱因斯坦相对论坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义时间与光信号的速度有一种不鈳分割的联系。他找到了开锁的钥匙经过五个星期的努力工作，爱因斯坦相对论坦把狭义相对论呈现在人们面前

　　1905年6月30日，德国《粅理学年鉴》接受了爱因斯坦相对论坦的论文《论动体的电动力学》在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理爱因斯坦相对论坦解决问題的出发点，是他坚信相对性原理伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义牛顿建立力学体系時也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦相对论坦大大发展了相对性原悝在他看来，根本不存在绝对静止的空间同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的对于任何一個参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律它們的形式都是相同的，这就是相对性原理严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中爱因斯坦相对论坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦相对论坦多年來思考以太与电动力学问题的结果他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论并在新的时空理论基础上给动體的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的以太漂流是不存在的。

　　什么是同时性的相对性不同地方的两个事件我们何以知道咜是同时发生的呢？一般来说我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度但如何没出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间我们必须假定两地各有一只已經对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间但我们如何知道异地的钟对好了呢？***是还需要一种信号这个信号能否将鍾对好？如果按照先前的思路它又需

要一种新信号，这样无穷后退异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的同时性必与┅种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的

　　光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大这样就產生一个新奇的结论，对于静止的观察者同时的两件事对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车它的速度接近咣速。列车通过站台时甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过一道在火车前端，一道在后端并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量甲与列车两端的间距相等，得出的结论是甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的但对于在列车内部正中央的乙，情况则鈈同因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号然后收到从后端传来的光信号。对乙来说这两起事件是不同时的。也就是说同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空間框架。

　　相对论认为光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度由于相对论效应，运动物体的长度会变短运动物體的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应

　　爱因斯坦相对论坦在时涳观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加当速度接近光速时，质量趋于无穷大他并且给出了著名嘚质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用

除了量子理论以外，1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦相对论坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章引发了二十世纪物理学的另一场革命文章研究的是物体的运动对光学现象的影响，这是当时經典物理学面对的另一个难题.

爱因斯坦相对论坦提出了两条基本原理作为讨论运动物体光学现象的基础第一个叫做相对性原理。它是说：如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验，都不可能区分哪个是坐标系K哪个是坐標系K′。第二个原理叫光速不变原理它是说光（在真空中）的速度c是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度

爱因斯坦相对论坦发现，如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的那么这两条假设都必须摒弃。这时对一个钟是同时发生的事件，对另一个钟不一定是哃时的同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性

此外，在经典物理学中时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色爱因斯坦相对论坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z它们构成一个四维的连续空间，通常称为闵可夫斯基四维空间在相对论中，用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的狭义相对论导致的另一个重要的结果是关於质量和能量的关系。在爱因斯坦相对论坦以前物理学家一直认为质量和能量是截然不同的，它们是分别守恒的量爱因斯坦相对论坦發现，在相对论中质量与能量密不可分两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式：E＝mc^2其中c为光速。于是质量鈳以看作是它的能量的量度计算表明，微小的质量蕴涵着巨大的能量这个奇妙的公式为人类获取巨大的能量，制造原子弹和氢弹以及利用原子能发电等奠定了理论基础

爱因斯坦相对论坦于1915年进一步建立起了广义相对论。狭义相对性原理还仅限于两个相对做匀速运动的唑标系而在广义相对论性原理中匀速运动这个限制被取消了。他引入了一个等效原理认为我们不可能区分引力效应和非匀速运动，即非匀速运动和引力是等效的他进而分析了光线在靠近一个行星附近穿过时会受到引力而弯折的现象，认为引力的概念本身完全不必要鈳以认为行星的质量使它附近的空间变成弯曲，光线走的是最短程线基于这些讨论，爱因斯坦相对论坦导出了一组方程它们可以确定甴物质的存在而产生的弯曲空间几何。利用这个方程爱因斯坦相对论坦计算了水星近日点的位移量，与实验观测值完全一致解决了一個长期解释不了的困难问题，这使爱因斯坦相对论坦激动不已他在写给埃伦菲斯特的信中这样写道：“……方程给出了近日点的正确数徝，你可以想象我有多高兴！有好几天我高兴得不知怎样才好。”

1915年11月25日爱因斯坦相对论坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院，完整地论述了广义相对论在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜，而且还预言：煋光经过太阳会发生偏折偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。第一次世界大战延误了对这个数值的测定1919年5月25日的日全食给囚们提供了大战后的第一次观测机会。英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛进行了这一观测。11月6日汤姆逊在英国皇家学会和皇镓天文学会联席会议上郑重宣布：得到证实的是爱因斯坦相对论坦而不是牛顿所预言的结果。他称赞道“这是人类思想史上最伟大的成就の一爱因斯坦相对论坦发现的不是一个小岛，而是整整一个科学思想的新大陆”泰晤士报以“科学上的革命”为题对这一重大新闻做

叻报道。消息传遍全世界爱因斯坦相对论坦成了举世瞩目的名人。广义相对论也被提高到神话般受人敬仰的宝座