第7章 狭义相对论
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年光景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。
什么叫做“参照系”呢？我们说，火车向前行驶了多少公里，这是相对于地面来讲的。研究火车在地面上的运动，是以地面为参照物的。研究乘客在火车上的运动，就是以火车为参照物的。在参照物上安放一个可以量度运动物体位置的假想的坐标系之后，就叫做参照系。
现在假定有一列火车沿着直线轨道匀速行驶，车厢里有一位乘客向上抛出一个小球，那么这位乘客所看到的小球的运动情况，和他在地面上向上抛出一个小球后所看到的情况是完全一样的。这是因为他的火车参照系相对于地面参照系在做匀速直线运动。
“在两个相互做匀速直线运动的参照系中，力学定律是相同的。”这是伽利略早在17世纪就已经提出来的相对性原理。爱因斯坦把伽利略的相对性原理推展为：“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。”
把一个力学定律推展为一切自然定律，这是一个巨大的飞跃，为了实现这个飞跃，整整用了200年。
这200年正是牛顿机械物理学统治的200年。这样，不单是力学实验，连光学实验、电磁学实验，以至任何其他一切实验，都不能测出绝对运动来。一切都是相对的，因此也就否定了绝对空间、绝对时间、绝对运动和光以太的存在。
所谓光速不变原理是指：光在真空中的传播速度是一个不变的常数，它和光源的运动速度没有关系，和观察者的运动速度也没有关系（指的都是匀速直线运动）。
经典物理学对粒子的运动（如炮弹）和波的运动（如声音）都进行了长期的周密的研究，这两种运动的本质是完全不同的。粒子运动是粒子本身在运动，如炮弹；波的运动必须靠介质来传播，如声波是靠空气来传播的。
那么光的传播是属于哪一种运动呢？首先，光在真空中的传播和声音在空气中的传播是不一样的，因为光没有介质。旧物理学原来一直认为光是波的传播方式，介质就是以太。但是麦克尔逊1897年进行的地球在以太中的漂移速度实验已经彻底否定了以太的存在。
那么光是不是像粒子那样靠放射传播的呢？我们来进行一个实验：假如有一艘炮舰，首尾各有一门相同的大炮，发射出的炮弹速度是W，当炮舰以V的匀速向前行驶时，舰首大炮炮弹的速度是W+V，舰尾大炮炮弹的速度是W-V，这就是粒子的速度合成定理。但是光的运动服不服从速度合成定理呢？1054年天文学上发生过一次著名的超新星爆发，残骸就是现在金牛星座中的蟹状星云，如果光线服从速度合成定理，这颗超新星爆发时向着地球方向飞来的物质A发出的光，速度将是光速C加上飞散物质的速度V，而背离地球方向飞去的物质B发出的光，速度将是C-V，那么地球上将先看到A发来的光，按照计算，得等几十年后才能看到B发出来的光。这样，在地球上几年中都能看到这颗遥远的超新星爆发时所发出的强光。然而实际情况却是：这颗超新星爆发时发出的强光，只过了一年多就消失了，就像我国《宋史》上记载的那样：“年余稍没。”这就说明A和B发出的光都是以C的光速向着地球传来的。
光在真空中传递，既不像波，也不像粒子，它只遵循一条特殊的规律：光速不变原理（科学史上第一个想要测定光速的人是伽利略，他和他的助手各举一盏灯站在两个山头上，由于光速太快，和它相比两个山头之间的距离实在太小了，这个测量当然失败了。第一个测定光速获得成功的是1676年丹麦的天文学家罗迈，他通过观测木星和它的卫星这样的天文规模的距离，第一次测出了光的速度，但由于当时仪器不够精密，测得的数值为225000公里/秒。直到1899年，美国科学家麦克尔逊才用他改进了的精密光学仪器测得了光速的最精确值：299796公里/秒。在不用于精确计算时，经常只说它的近似值：每秒30万公里）。
这两条基本原理和经典物理学都是势不两立的，特别是光速不变原理，它和牛顿的绝对时间和绝对空间更是水火不容。假若有一条平直的铁路穿过车站，站台两边A、B两点各立有一根柱子，一个手拿信号灯的工人站在A、B的中点C发出一个信号，他将看到：信号以相同速度C通过相同距离同时到达A、B两点。如果在他发出信号的同时，正好有一列火车从他身旁经过，车上坐着的一位乘客将看到：这个信号以C的光速离开自己向火车两头A、B两点飞去，由于火车是向着A点奔去，所以对于他来说，信号到达A点走过的距离短，到达B点的距离长，他将看到信号先到达A点，然后到达B点。
信号到达A和B是不同的两件事，在以地面为参照系的工人看来，这两件事是同时发生的；在以火车为参照系的乘客看来，它们却不是同时发生的。这只是一种纯理论设想，在实际生活中，工人、乘客都不可能用肉眼观察到信号到达A、B两点的时间。而且光速是那样快，对于相距不远的两个目标来说，也根本无法量出信号到达的先后。一个同时，一个不同时，到底哪个对，在经典物理学看来，事物的是非只有一个绝对标准，要么就是对，要么就是错。那么对于这个问题如何判断呢？经典物理学回答不上来了。
爱因斯坦也为这个问题进行了长期的思索。1905年的一天，他终于想通了，他解决了这个既同时又不同时的问题，因此也创立了相对论。
要解决这个问题，爱因斯坦认为首先要解决“什么是同时性”的问题。
如果两件事发生在同一个地点，还容易比较，如果两件事是发生在两个地方呢？不能只是想当然，必须给予严格的定义，赋予它以物理意义。爱因斯坦是这样给同时性下定义的：还是以火车通过车站为例，如果这时突然雷电大作，两个雷电一个击中车头A’，一个击中车尾B’。车头A’遭受雷击时，正好经过站台A点，所以A点的柱子也同时遭受了雷击。车尾B'，遭受雷击时正好经过站台B点，所以B点的柱子也同时遭受了雷击。我们把车头A’和柱子A遭受雷击称为事件I，把车尾B’和柱子B遭受雷击称为事件Ⅱ。那么就可以得出定义：“如果柱子A和柱子B遭受雷击时发出的闪光信号同时达到AB的中点C，我们就说，事件I和事件Ⅱ对于地面参照系来说是同时发生的。同样，如果这两个闪光信号同时达到A'B’的中点C'，可以说事件I和事件Ⅱ对于火车参照系是同时发生的。”
什么是同时性？这就是爱因斯坦在相对论运动学部分第一个小节中解决的问题。
下面再回答既同时又不同时的问题。对于牛顿经典力学是无法回答这个问题的，在爱因斯坦相对论里却成了最基本的原理，那就是：“在两个相互做匀速直线运动的参照系里，对一个参照系同时，对另一个参照系就必然不同时。”地面上C点的铁路工人和火车中C'点的乘客是分别在两个相对做匀速直线运动的不同的参照系中，如果地面上C点铁路工人，看到事件I的光信号和事件Ⅱ的光信号同时到达，那么对于行进中的火车中央C’点的乘客来说，因为火车运动是向着A点，离开B点的，事件I的光信号到他那里走过的距离近，事件Ⅱ的光信号到他那里走过的距离远，而光速又是不变的，所以他看到事件I的光信号比事件Ⅱ的光信号先到达，两者必然是不同时的。
原来，在相对论里，两个地方遭受雷击这两件事，在以地面为参照系的C点上看是同时的，在以火车为参照系的C’点上看就必然不同时，这根本不是什么自相矛盾，而是千真万确的真理。所以爱因斯坦说：“两个地方发生的两件事情没有绝对的同时性。同时性是相对的。”这正是他在相对论运动学第二小节中解决的问题。
同时性是相对的，多么简单的一句话，但这是多么革命的思想，和我们的经验相距多么远，需要多么丰富的想像力！时空观念从此和牛顿的绝对时间和绝对空间决裂了。新的相对论的时空观念建立起来了。
按照牛顿的说法，全宇宙只有一个时钟，它指示的时间就是绝对时间。如果绝对时间是8点钟，那么宇宙间任何地方，无论是在地面上、火车上，还是在其他星球上，通通都是8点钟（这里不考虑地球上经度造成的时间差，绝对时间就是8点，可能在A地8点是在早上，B地8点是在下午）。既然时间是绝对的，同时性当然也是绝对的。如果两件事都发生在8点钟，不管它们是不是发生在同一地点，也不管我们是在地面上看，还是在火车上看，它们通通都是同时的。如果两件事发生在不同的时间，不论它们发生在什么地方，也不管我们是在哪里进行观察，它们通通都是不同时的。这就是牛顿的绝对时间概念，也是几千年来人们所习惯了的、从现实生活中直接获得的关于时间的概念。直到今天，在爱因斯坦的相对论已经发表了99年（还差一年就是100年）之后，可以这样说：地球上大多数没有学过相对论的人，在时间概念上依旧停留在牛顿时代。即使有些已经学过了或者知道了相对论的人，自己也认为已经打破了牛顿的绝对时间概念，但是往往在碰到一些具体问题时，又会糊涂起来，在自觉或不自觉中又回到了牛顿的绝对时间里去。举一个最普通、最简单的看法：一个时钟，不管你把它放在中国还是美国，也不管把它放在火车上还是飞机上，它所显示的时间不都是相同的吗？时间和地点无关，和参照系的运动也无关，这不是明明白白的吗？这不正是牛顿的绝对时间吗？有这个看法是很正常的，它确实是从我们生活经验和实践中产生出来的，但是我们拥有的只是低速运动状态下的经验和实践。牛顿力学也是从低速运动中总结出来的，它的运动三大定律对于低速运动世界确实是有效的，是接近真理的科学定律；但是在高速运动状态下它就成为谬误了。我们坐过每小时100多公里的特快列车，磁悬浮列车最高时速现在也只能达到500多公里；我们坐过每小时1000多公里的超音速飞机，最快的航天飞机速度也不过每小时20000公里，相当于每秒5000多米。可是你坐过每秒钟行驶近30万公里的火车或飞机吗？当然不可能。但是，如果你想像真的坐在了这样一列飞驰的火车上，那么你就会看到：这列火车上的时钟所指示的时间和地面上的时钟所指示的时间会有明显的不同。地面上的人会看到火车乘客手上的表比自己手上的表慢了许多（当然也只能是在想像中）。
正是在、也只有在高速运动状态下，才可以明白无误地证实时间是相对的：每一个参照系里有它自己的时间标准；两个地点发生的两件事情的同时性也是相对的，每一个参照系里有它自己的同时性标准。