世界现代前期科技史-第8章
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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，将伯尔尼时的同事与好友贝索对他的帮助铭刻在了创
立相对论的历史丰碑上。他回忆道：“我在伯尔尼的一位朋友贝索意外地帮
助了我。那天天气很好，我带着上述问题访问他。开始，我告诉他：‘最近，
我一直在钻研一个难题。今天到这儿来，请你和我一块攻攻它。’我俩讨论
了问题的各个方面。后来，我突然找到了问题的关键。第二天，我再次访问
他，甚至没有问候他一声，就直接对他说： ‘谢谢你，我已经完满地把问题
解决了。’我的解决办法是，分析时间这个概念。时间不能绝对定义，时间
与信号速度之间有不可分的联系。使用这个新概念，我第一次完满地解决了
整个困难。我用了五个星期完成了狭义相对论。”
爱因斯坦认为，要准确地表述时间概念需要认识的仅仅是，人们可以把
洛伦兹引进的，称为 ‘当地时间’的这个辅助量直接定义为‘时间’。如果
坚持这种时间的定义，并把前面伽利略变换方程用符合新的时间概念的变换
方程来代替，那么洛伦兹理论的基本方程即洛伦兹变换方程就符合相对性原
理了。这样，洛伦兹和斐兹杰勒的长度收缩假说就像是理论的必然结果。
爱因斯坦还对第二条原理的由来作过深刻的说明：“相对论常遭到指责，
说它未加论证就把光的传播放到中心理论的地位，以光的传播定律作为时间
概念的基础。然而，情形大致如下：为了赋予时间概念以物理意义，需要某
种能建立不同地点之间的关系的过程。为这样的时间定义究竟选择哪一种过
程是无关重要的。可是为了理论只选用那种已有某些肯定了解的过程是有好
处的。由于麦克斯韦和洛伦兹的研究之赐，和任何其他考虑的过程相比，我
们对于光在真空中的传播是了解得更为清楚的。”
爱因斯坦从上述两条基本原理出发，推导出了相对论的惯性系变换公式
——洛伦兹变换公式，创立了狭义相对论。
这个公式所以仍称为洛伦兹变换式是因为它是由洛伦兹首先得出的。同
样的公式，推导的理论出发点却大不相同。洛伦兹人为引进“长度收缩”和
“地方时间”的假说给出了这个公式，目的在保留住以太的不动性。
爱因斯坦是从新理论的角度进行推导，赋予这个公式全新的革命的含
义。在电磁理论中用这个公式代替了伽利略变换。在洛伦兹变换下，麦克斯
韦在一切惯性系中保持了相同的形式，成功地将力学的相对性原理推广到了
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电磁学领域。
洛伦兹变换在高速领域成功地替代了伽利略变换，但狭义相对论并没有
否定伽利略变换在力学中的不可动摇的地位，没有否定力学相对性原理。在
低速领域，即远小于光速的情况下，洛伦兹变换很自然地和伽利略变换相一
致。
从狭义相对论的观点来分析，以太则是毫无用处的假说，麦克尔逊—莫
雷实验也很容易解释：首先，一切惯性系都是等价的，麦克尔逊干涉仪所在
的惯性系——地球也不例外；其次，光速在所有方向上都相同，那么，不论
干涉仪如何转动，干涉条纹都不可能有移动。麦克尔逊—莫雷实验也就自然
是“零结果”了。于是，麦克尔逊—莫雷实验——物理学史上最著名的实验
之一则成为狭义相对论的一个最基本的实验事实。
狭义相对论的核心内容及深刻的革命含义包含在它的两条基本原理以及
由这两条原理导出的洛伦兹变换式中，更表现在由洛伦兹变换导出的一系列
推论中。这些推论所描述的空间和时间的重要性质，从经典时空观看来是难
以理解的，但却是客观存在，并得到实验的证实。
“同时”的相对性是洛伦兹变换的推论之一。由洛伦兹变换式可以很容
易地证明，在某一惯性系中的不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性
系的观察者看来，将是“不同时”发生的。光的传播需要时间即光速，不等
于无穷大导致“同时”的相对性。如果依据经典力学所假定的，光速为无穷
大，相互作用的传递不需要时间，“同时”便是绝对的了，并因而有绝对时
间的概念。这里，“事件”是指空间某一地点发生的某一件事或某种现象。
“光速是物质运动的极限速度”是洛伦兹变换的另一个推论。从洛伦兹
变换中可以导出，一个惯性参考系中先于B事件发生的A事件，在另一惯性
参考系看来，可能在B事件之后发生，但这种情形只限于两个没有因果关系
的两个事件。狭义相对论认为，对于两个有因果关系的事件来说，因果时序
是绝对的，出生必先于死亡，播种必先于收获。基于此，可以导出惯性系之
间的相对速度不能超过光速以及任何信号的传播速度也不可能超过光速的结
论。狭义相对论的速度变换公式也可以证明，光速具有极限速度的特征。
“尺缩”效应是洛伦兹变换的又一个推论。洛伦兹和斐兹杰勒曾由经典
力学的角度研究过“长度收缩”问题，他们认为运动物体是真地缩短了。狭
义相对论认为，在静止参考系看来，以速度V运动着的物体，将沿运动方向
按 1
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应是相伴发生的，二者有一种“互补”关系。
1952年的π介子实验和之后对宇宙射线中大量高速粒子衰变过程的观
测实验，都证实了“钟慢”效应以及与“钟慢”效应相关的“尺缩”效应。
宇宙射线中含有许多能量极高的μ子，它们是在大气层上部产生的。静止μ
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子的平均寿命只有2。1971×10秒，如果不存在相对论效应，这些以接近光
速运动的μ子只能飞行约600米。但实际上大部分μ子都能穿透几公里的大
气层到达其底部。从地面参考系看，这种现象正是狭义相对论的“钟慢”效
应——运动μ子寿命延长效应；从μ子所在的参考系看，这种现象是狭义相
对论的“尺缩”效应——是相对它作高速运动的大气层的厚度缩小了，因此，
在μ子存活的时间里可以飞越变薄了的大气层。高速运动的粒子在其较短的
固有寿命中能飞越大气层，是客观事实而不是主观感觉的产物，这表明时钟
延缓和尺度缩短的效应都是运动着的物质相互之间的时空关系的反映。
1972年，原子钟绕地球的环行则证实了狭义相对论和广义相对论的总效
应。
狭义相对论还给出了两个非常重要的结论：一是运动物体的质量随速度
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的增加而增加；另一是质能关系式E=MC，它表示物体具有质量M的同时，
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也具有能量E，式中的C是光速。由于光速C是一数值巨大的常量（3×10
米/秒），这表示质量很小的物质蕴涵着巨大的能量，小的质量的变化，会伴
随着巨大的能量变化。这一关系式为原子物理和基本粒子物理中的大量的实
验所证实，它为人类寻求新的能源提供了理论依据，20世纪的原子能开发利
用正是基于爱因斯坦的质能关系式。
爱因斯坦创立的狭义相对论通过闵可夫斯基的工作得到了新的发展。闵
可夫斯基（1864—1909）曾是爱因斯坦在苏黎士时的老师，后来任哥廷根大
学的数学教授。1907年，闵可夫斯基提出了四维时空理论，将爱因斯坦狭义
相对论表述成非常简洁、优美的数学形式。他认为，应该把时间看作是“时
空结合体”里的第四维，在通常的三个空间坐标的基础上，引进了第四个坐
标 ict。这样，就可以用四维坐标清楚地描述时空中发生的事件及事件的变
化规律。
闵可夫斯基的工作从物理内容上看虽然没有新的内容，但它把洛伦兹变
换的物理含义更清楚地表达了出来。1908年，闵可夫斯基在科隆召开的全德
自然科学家与医生协会的第80次年会上，作了题为《空间与时间》的报告。
他说：“我要给你们剖析的时空观，是在实验物理学的土壤里孕育长大的，
它富有生命力，而且有激进的趋势。从此，空间和时间本身完全变得模糊不
清，只有两者的统一体才是独立存在的。”时间和空间再也不像经典时空观
所表述的那样互不关联、相互独立地存在着了，它们合成了一个极端重要的
新概念——四维的“空间—时间”。这种“四维时空连续统”也被称为“闵
可夫斯基世界”。闵氏的工作后来成为相对论不可分割的一部分。在新的“四
维时空连续统”中，两个事件的时空间隔如三维空间中两点间的距离一样，
是不随参考系的变化而变换的；一个参考系相对另一个参考系的运动可视为
四维坐标架的转动。相对论中时空的统一，使得在非相对论中相互独立的不
同物理量显示出它们蕴涵的统一性，例如动量与能量的统一，电流密度和电
荷密度的统一等。
在《空间与时间》的报告中，闵可夫斯基非常有预见性地指出，爱因斯
坦的思想对近代人们的思维将产生深远的影响。闵可夫斯基的报告引起科学
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界对爱因斯坦工作的注意。
狭义相对论是对经典时空观的一次根本的变革，它否定了绝对空间和绝
对时间，否定了“同时”的绝对性，揭示了时间和空间的不可分割性，并建
立起时间和空间的依赖关系。整个物理学的理论因为狭义相对论而发生了巨
大的变化，其成就是巨大的。但是，要人们真正认识爱因斯坦的科学研究成
就，还需要较长的时间。当时，也只有个别的物理学家能够把他的理论看作
是一个天才的发现。著名的理论物理学家普朗克就是其中的一位。他称赞爱
因斯坦的《论动体的电动力学》一文具有划时代的意义，认为爱因斯坦时空
观的“勇敢精神的确超乎自然科学研究和哲学认识论上至今所取得的一切大
胆成果。”
2。广义相对论的创立及其实验验证
（1）广义相对论的基本原理和新的引力理论
狭义相对论揭示了高速领域中物体的运动规律，将力学的相对性原理推
广到电磁学领域，从根本上改变了经典物理学，改变了人们对时间和空间的
认识。但是，追崇“世界统一性”的爱因斯坦是不可能满足于狭义相对论的
成就的，因为，狭义相对论虽然革命性地否定了静止以太参考系的特殊地位，
但却保留着无限多个惯性参考系的特殊地位，而且严格的惯性系事实上并不
存在。在爱因斯坦看来，“更为令人满意的应当是这样一种理论，它从一开
始就不区别任何优越的运动状态。”他认为，狭义相对论把相对性原理限制
在惯性系中，这是“固有的认识论上的缺陷”。因此，将相对性原理的适用
范围扩大到非惯性系即加速运动系统，探求一种更普遍的物理论——广义相
对论，便成为他的下一个目标。
爱因斯坦接受了奥地利物理学家、哲学家马赫 （1838—1916）的观点，
即非惯性系理论一定要包括引力理论。狭义相对论的建立几乎改变了整个经
典力学的面貌，只有牛顿引力理论例外，而且以瞬时超距作用为基础的牛顿
引力理论在速度极限的问题上与狭义相对论相抵触。狭义相对论证明，光速
是一切物质自由运动的速度包括信号传递速度的极限速度，而牛顿引力理论
认为引力是以无限大的速度传递的。这也进一步促使爱因斯坦把引力问题作
为研究的目标。
牛顿第二定律中使用的质量是物体的惯性质量。在一定力的作用下，质
量大的物体产生的加速度小，即不易改变原来的运动状态，质量大则惯性大。
惯性质量是物体运动惯性的量度。牛顿引力定律中使用的质量是物体的引力
质量。引力质量是一个物体受其他物体吸引及它吸引其他物体的状况的量
度。
因此，惯性质量和引力质量是两个概念不同的物理量。但是，许多实验
事实表明，任何物体的引力质量和惯性质量相等。牛顿本人对此持慎重的态
度，他认为，引力质量和惯性质量分别描述物体的两种互不相关的性质即产
生引力和保持原有运动状态的两种性质，二者可能只是近似相等。牛顿设计
了牛顿摆实验；1889年，匈牙利的厄阜设计了著名的扭摆实验，都试图测定
这二者的区别，而实验的结果却是在相当高的精度上证明了引力质量和惯性
质量的等值性。
这样两种有本质区别的物理量相等，意味着什么呢？牛顿曾作过研究，
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却没有得到理论上的解释。长期以来，人们一直认为，这两种质量相等是理
所当然的，没有人探究其内涵。而爱因斯坦正是从这个人们认为是很自然的
事实入手，开始揭示引力问题的奥秘。爱因斯坦在《相对论发展简述》中说，
“在引力场中一切物体都具有同一加速度。这条定律可以表述为惯性质量和
引力质量相等的定律。它当时就使我认识到它的全部重要性。我为它的存在
表示极为惊奇，并猜想其中必有一把更加深入地了解惯性和引力的钥匙。”
在狭义相对论的建立过程中，爱因斯坦曾设计了著名的“高速爱因斯坦
火车”的理想实验来推证“同时相对性”。在广义相对论建立过程中，爱因
斯坦又设计了另一个著名的理想实验，即“爱因斯坦电梯”或称“爱因斯坦
密封舱”（如现代的宇宙飞船密封舱）以推证等效原理的合理性。如果将一
个“爱因斯坦密封舱“放置于远离一切物体的宇宙空间中，舱内的实验人员
将发现，自己和舱内的一切物品都失去重量，飘浮于舱中，作出的判断是，
引力消失了，“密封舱”是一个不受任何力作用的惯性系。设想此时有一种
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“大力士生物”以地球的引力加速度（a＝9。8米/S）向一个方向提升“密
封舱”。这时，舱内实验人员感觉到好像回到了地球的表面，自己恢复了原
有的重量，舱内物品也纷纷落下。对这突如其来的现象，舱内的实验人员有
两种可能的分析：一种是“密封舱”本身仍是静止或匀速运动的（即为惯性
系），舱下出现了和地球一样的星体，而使“密封舱”如置于地球引力场，
物品下落、人感觉到重量只是引力作用的反映；另一种是舱下没有出现什么
星体，�
