世界现代前期科技史-第7章
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斯（1749—1827）的《天体力学》堪称经典力学的颠峰。到19世纪初，经典
力学大厦几乎是“尽善尽美”、“坚不可摧”了。经典力学在各方面取得的
举世公认的巨大成功使“所有的物理学家，都把古典力学看作是全部物理学
的、甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础”。
19世纪60年代，麦克斯韦 （1831—1879）运用数学分析的方法，类比
流体力学方程，建立了一组偏微分方程，概括了从库仑 （1736—1806）、高
斯（1777—1855）、奥斯特（H。C。Oersted，1777—1851）、安培（A。M。Ampere，
1775—1836）到法拉第（M。Faraday，1791—1867）的工作，把电磁运动的一
系列基本规律统一在包含以下四个方程的麦克斯韦方程组中：
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可是，把自己的一生献给这一事业，值得吗？”约里的话代表了当时物理学
界许多人的看法，即物理学是一个有才华的年轻人已经不可能有所作为的领
域了。
19世纪物理学界的元老，声名显赫的威廉·汤姆生（1824—1907）即开
尔文勋爵当时也认为，未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻
找，也就是说，未来的物理学研究者只能做一些修修补补工作了。然而，随
着20世纪的破晓而降临的物理学革命很快便否定了这种说法。这场革命的产
生是由于与经典物理学矛盾的实验事实的出现，更由于经典物理学内部所存
在的矛盾，即不统一性。
我们知道，任何自然过程总是发生在空间中的一定地点，并经历一定的
时间。因此，表达物理规律必须有时间和空间的变量，时间和空间的概念则
一直是物理学最根本和最重要的概念。
在牛顿力学中，时间和空间被视为是脱离物质运动而独立存在的框架，
空间是绝对不变、不动的，时间则是绝对均匀的。这种绝对的时空观符合人
们的日常经验，也被认为是天经地义的。
牛顿在他的名著《自然科学的数学原理》中写道：“绝对的、真的、数
学的时间，是自身在那里流逝，它是匀速的，不与外界任何对象发生关系的”，
“绝对的空间本身与任何客体无关，永远保持不变、且不动。”
牛顿的这种绝对时空概念似乎表明存在一个独特的、绝对的参考系。而
伽利略则指出，一切取作机械运动的惯性参考系都是等价的，根据力学规律
无法判断惯性系的优劣。所谓惯性参考系，是指牛顿第一定律（惯性定律）
在其中成立的参考系。例如，地球就是一个近似程度很高的惯性参考系。相
对地球作匀速直线运动的车船也是惯性系，在任何一个惯性系内的观察者不
可能用力学方法来测定此惯性系的运动状态。这就是力学的相对性原理，也
称伽利略相对性原理。伽利略把这种相对性原理用数学的方法表达出来，即
给出了两个惯性系之间时间和空间坐标的如下变换关系式：
x'
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在真空中传播。力学几乎可以解释声学的一切现象，那么对光的现象呢？
光的波动说最早由胡克（1635—1703）提出，并为惠更斯（1629—1695）
进一步发展。在很长的时间里（直到20世纪初）人们对波的理解只局限于某
种媒质的力学振动。这种媒质就称为波的荷载体或载体。如水波的荷载体是
水，声波的荷载体是气体、液体、固体等传声媒质。光与声音不同，它可以
在真空中传播，那么，光波的荷载物是什么呢？惠更斯最早想到了“以太”。
在古希腊，“以太”指青天或上层大气；在古宇宙学中，“以太”用来表示
占据天体空间的物质。17世纪，笛卡儿（1596—1650）赋予它某种力学性质，
用来解释任何物体之间相互作用力的传递媒质。惠更斯设想“以太”为荷载
光波的媒介物质，并认为它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到
通常的物质中。
随着麦克斯韦电磁理论的日臻完善和光、电、磁现象的统一，“以太”
便自然地成为电磁作用的载体。
研究发现，在伽利略变换下，电磁理论的数学表达式——麦克斯韦方程
组中的方程不再具有协变性。由麦克斯韦方程确定的真空中电磁波的传播速
度为光速C，在另外的惯性参考系中，速度将不再是C。也就是说，伽利略协
变性不适合于电磁理论。这似乎意味着，力学满足相对性原理而电磁学规律
不满足相对性原理，对麦克斯韦方程而言，似乎存在一个特殊的惯性参考系，
在这个优越的惯性参考系中，光的传播速度为C，而且，这个特殊参考系即
绝对静止的坐标系，看来是非“以太”参考系莫属。
经典力学体系的内在矛盾竟促使人们把寻找绝对优越之惯性参考系的希
望寄托在经典物理理论的内部矛盾上，寄托在力学现象以外的物理现象上，
比如电磁现象，光的现象等。“以太”参考系显然给苦苦寻求绝对静止参考
系的人们带来了希望。证实“以太”和“以太”参考系的存在，在物理学理
论上便具有十分重要的意义。为此，许多物理学家设计了各种各样的实验，
其中最著名的是麦克尔逊 （1852—1931）—莫雷（1838—1923）实验。他们
试图利用光学的方法借助灵敏的干涉仪来测定地球相对以太的绝对运动。
地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着太阳运动，整个太阳系以每秒
20公里的速度在宇宙中飞驰，而我们的银河系也在以相当高的速度不停地运
动着。如果以太是静止存在于“绝对空间”之中，那么，地球相对绝对静止
的以太运动，地球上的实验者应能观测到“强劲的以太风”。
这个实验是根据麦克斯韦生前提出的设想设计的。麦克斯韦认为，若地
球相对静止以太运动，那么，沿地球运动方向发出一个光信号到一定距离后
反射回来，光信号往返所需要的时间应小于光信号沿垂直于地球运动方向发
射到相等距离往返所需要的时间。
1881年，美国物理学家麦克尔逊用他自己发明的干涉仪进行了第一次实
验。麦克尔逊出生于波兰，曾在柏林和波斯坦作过亥姆霍兹的奖学金研究生。
1887年他与莫雷合作改进了这个实验，使用他亲自设计的高精度镜式干涉
仪，大大提高了实验的精度。
下页右侧给出了该实验装置的示意图。
单色光源S发出的平行光束射到45°角放置于O处的半镀银分光板上，
被分成互相垂直的反射和透射两股光束。透射光沿OA臂方向到达反射镜A
后被反射回来；反射光沿OB臂方向到反射镜B后反射回来。这两股光束经O
处分光板的透射和反射到达观测屏D处，两条光路上相差的光程由补偿板L
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补偿。实验时，先让干涉仪的OA臂与地球相对“以太”运动的方向平行，另
一臂与之垂直。按经典的理论，光速各向是不等的。地球沿OA臂方向相对“以
太”运动，地球上的观测者看来，以太沿AO方向流动，光从O传播到A如逆
水行舟，速度应为C—V，即光在静止的以太参考系中的速度减去地球运动的
速度；光从A返回O则如顺水行舟，传播速度为C＋V。而沿OB臂传播的光
束如横水行舟。由计算可得到，两束光传播的时间差为△T，在观测屏上将会
看到两股相干光束的干涉条纹。然后，将整个干涉仪转过90°，使OA臂垂
直于地球运动的方向，由计算，可得此种情况下，两股相干光束传播的时间
差为另一值△T’。
前后两种情况下的时间差的变化量将会引起观测屏上干涉条纹的移动。
麦克尔逊和莫雷当时用纳光作实验，并采用多次反射法增加干涉仪两臂的实
验长度达11米。将有关数据代入干涉条纹移动值的计算公式后，求得干涉仪
旋转前后，干涉条纹应移动将近半个条纹，也就是说，旋转前的明条纹应基
本成暗条纹，而暗条纹变明。
但是，麦克尔逊和莫雷的实验并未观察到预期的干涉条纹的移动。他们
在一天中的不同时间，一年中的不同季节并在地球上的不同地点多次重复了
这一实验，而且实验本身的精度无可挑剔，但是，结果都是相同的。许多人
重复了这个实验，也都观测不到预期的条纹移动。这个实验的结果被称为“零
结果”。
实验的“零结果”振动了物理学界。人们提出了各种各样的假说试图解
释这一“出人意料”的结果。会不会是地球正好静止于以太的海洋中，而使
地球与以太之间的相对运动速度始终为零呢？如果接受这种设想，就意味着
地球在整个宇宙中处于一种特别优越的地位，但是，这种地位从哥白尼时代
便被否定了。
会不会是地球拖动着“以太”一起运动，所以才没有“以太风”呢？但
菲索实验等其他实验事实又否定了这一推断。
还有人提出光速与光源运动有关的理论，认为，运动光源发出的光的速
度等于光相对于光源的速度与光源运动速度的矢量和，而光相对任何光源的
速度总是C。这种理论尚可以解释用地面上的光源所作的麦克尔逊—莫雷实
验，但后来用日光为光源进行麦克尔逊—莫雷实验，得出的“零结果”，也
否定了这一理论。其他实验也证明了，光速与光源的运动速度无关。
斐兹杰勒（1851—1901）于1889年，荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928）
于1892年先后提出“长度收缩”的假说，认为以速度V相对“以太”
快速运动的物体在运动方向上将按照 1
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解决的途径。开尔文勋爵眼光锐利地瞄准了这两朵乌云，但他和当时陶醉于
经典物理学成就的其他人一样，都未能预见到，这两朵非同寻常的“乌云”
正预示着以量子论和相对论为标志的物理学革命的风暴。
（2）狭义相对论的创立
麦克尔逊—莫雷实验在爱因斯坦 （1879—1955）创立狭义相对论的过程
中究竟起多大的作用，这个问题虽然在物理学史上仍有争论，但谁也不否认
麦克尔逊—莫雷实验在由洛伦兹理论向狭义相对论的转变中起了重要的作
用。爱因斯坦本人对麦克尔逊—莫雷的工作给予很高的评价，他认为麦克尔
逊—莫雷实验“揭示了光以太理论的隐患”，“将物理学引向新的道路”，
“铺平了狭义相对论发展的道路”。
爱因斯坦在 1905年发表的第一篇关于相对论的文章《论动体的电动力
学》中明确指出：“诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于‘光媒质’
运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这个概念，不仅在力学
中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方
程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学也一样适用，对于第一级微
量来说，这是已经证明了的。”很明显。爱因斯坦认为，麦克尔逊—莫雷实
验的结论只能是，根本就不存在什么“以太”，也就不存在什么“以太参考
系”。
爱因斯坦曾读过洛伦兹的一篇关于麦克尔逊—莫雷实验的论文 （文中提
出了洛伦兹—斐兹杰勒收缩）。爱因斯坦在1907年发表的题为《相对论原理
及其结论》的论文中写道，洛伦兹理论是以一种静止的、不动的光以太的假
说为基础的，按照这个理论，地球相对以太的运动速度V与真空中的光速C
之比的一次幂项V/C，不应该在实验中被观测到，“但是，麦克尔逊—莫雷
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实验的否定结果表明：在某种场合下，连二次幂效应（与V/C有关的项）
也不存在，而按照洛伦兹的理论基础，它是必定可以在实验中观测到的。”
他认为，“理论同实践之间的那种矛盾，通过洛伦兹和斐兹杰勒的假说
（根据这种假说，运动物体在运动方向发生一定的收缩）可以在形式上消除。
但是，在这方面引进的这种假说，看来只是一种拯救理论的人为方法；麦克
尔逊—莫雷实验正好证明，在根据洛伦兹理论看来相对性原理不成立的地
方，现象却还是符合这个原理的。从而给人这样一种印象，似乎又必须抛弃
洛伦兹理论，而代之以一个基础同相对性原理相适应的理论，因为，这样一
个理论允许一下子预见到麦克尔逊—莫雷实验的否定结果。”这里所指的“这
样一个理论”正是爱因斯坦在 《论动体的电动力学》中系统提出的，后来被
称为狭义相对论的理论。他以以下的两条基本原理作为狭义相对论的基础：
①相对性原理：所有惯性参考系都是等价的。物理规律对于一切惯性参
考系都可以表述为相同的形式。不论通过力学、光学、电学或其他实验，都
不能觉察出所在参考系的“绝对运动”。
②光速不变原理：真空中光速相对于任何惯性参考系沿任何方向均为
C，且与光源的运动无关。
第一条原理是伽利略的力学相对性原理的直接推广。伽利略相对性原理
肯定了一切惯性参考系的力学等价性，爱因斯坦则只是把这种等价性推广到
电磁学、光学及一切物理规律。它是爱因斯坦所坚持的“不存在绝对运动”
和“世界统一性”的自然观的体现。从理论的角度来看，相对性原理是容易
接受的。
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在肯定麦克斯韦电磁理论的基础上，把相对性原理推广到电磁学领域，
就要假定麦克斯韦方程在一切惯性参考系中保持不变，而这样做必须解决两
个问题。一是要假定真空中光速保持不变，二是在电磁学领域不能保留伽利
略变换，因为，麦克斯韦方程在伽利略变换下将发生改变，也就是说，在不
同惯性系中，电磁现象将呈现不同的规律。
对麦克斯韦电磁理论的正确性，爱因斯坦是坚信不移的，他认为全部力
学、电动力学和光学的实验事实都支持相对性原理，而且全部电动力学和光
学实验事实也都证明光速的不变性。因此，他认为，必须把“一切惯性系中
光速不变的假定”上升到原理的地位上，才能使初看起来有矛盾的两条原理
统一起来。
而提出光速不变的原理就意味着否定牛顿力学中的速度相加定律，即否
定经典的时空观，“同时”的概念将失去其绝对的意义，两事件的时间间隔
和空间间隔将随参考系的不同而不同。总之，在理论、观念上都是一大突破。
对爱因斯坦来说“这个困难确实很难解决”。
1922年12月，在日本京都大学的一次演讲中，爱因斯坦曾详细介绍了
解决这一难题的经过，�
