相对论原本

秦关根，陈诗谷

(1. 新泽西理工学院 CNBM新能源材料中心，新泽西　07102，美国；2. 浙江万里学院 基础学院，浙江 宁波　315040，中国)



相对论原本

秦关根1，陈诗谷2

(1. 新泽西理工学院 CNBM新能源材料中心，新泽西07102，美国；2. 浙江万里学院 基础学院，浙江 宁波315040，中国)

本文介绍了在创建狭义相对论的过程中，“思想实验”和欧几里得《几何原本》对爱因斯坦的启发和影响.爱因斯坦是狭义相对论的唯一创建者.

爱因斯坦；狭义相对论；思想实验；欧几里得《几何原本》

2015年是被美国《时代》杂志列为20世纪人物的伟大科学家爱因斯坦逝世60周年，也是广义相对论的百年纪念，更是划时代的狭义相对论，名为《论运动物体的电动力学》(以下简称《动体》)的论文发表110周年.在爱因斯坦的生前与身后，有人指责他侵占了别人的成果.十分有意思的是，引爆20世纪物理学一场革命的爱因斯坦的《动体》一文，是按照标志着人类数学理性的、最古老和最伟大杰作，欧几里德《几何原本》的方式撰写的.本文是作者对爱因斯坦和欧几里德工作关系的一些思考.

1　 狭义相对论及其无与伦比的伟大意义

1905年，莱比锡出版的《物理学年鉴》刊登了署名A.爱因斯坦的论文《论运动物体的电动力学》[1].文章阐明了：“动体电动力学”或狭义相对论与牛顿力学有怎样的差别；“麦克斯韦的电动力学应用于动体时的不对称性”怎样得以避免；为什么他的理论可用于“麦克斯韦-赫兹方程的协变”；为什么“……洛伦兹的动体的电动力学理论与相对性原理是一致的”；以及为什么关于《动体》的工作导致“像差”或横向多普勒效应.

《动体》是有史以来最伟大的科学论文之一.它引爆了20世纪物理学的一场革命；改变了我们的时间和空间概念；导致了改变世界的“质能关系”E=mc2的发现.它无与伦比的价值，还由于它的方法论.它哺育并鼓舞了一代又一代的物理学家.

2　创立狭义相对论的荣誉应该归谁？

真的是爱因斯坦，瑞士专利局的一名年仅26岁的三级公务员，奇迹般地、单枪匹马地在业余时间创立了相对论吗？“奇迹般”地？是的.“单枪匹马”？不.令人耳目一新的是：在《动体》一文中，受到爱因斯坦致谢的，只有他在专利局的朋友兼同事贝索(1873—1955)一人.文中还提到5个人的名字：牛顿(1640—1727)、多普勒(1803—1855)、麦克斯韦(1834—1879)、赫兹(1857—1894)和洛伦兹(1853—1928).但《动体》没有引任何参考文献，因而也就没有具体引证他们的工作.从《动体》一文看上去，他们不像是相对论的先驱者，或者是有价值的贡献者.1904年提出相对性原理的庞加莱(1854—1912)，以及以实验建立光速恒定原理的迈克耳孙(1852—1931)的名字，该文甚至没有提到[2,3].难怪《动体》一文的读者都会得到这样的印象：创立相对论的荣誉，非爱因斯坦一个人莫属.

有些批评者指责这位被誉为“20世纪人物”的爱因斯坦侵占了相对论发现的优先权和荣誉[4，5].数学家兼科学史专家惠特克(1893—1956)出版的两卷本《以太与电学理论史》，其中一章名为“庞加莱和洛伦兹的相对性理论”[6].庞加莱和迈克耳孙对狭义相对论建立的贡献早已得到承认.以洛伦兹命名的变换在狭义相对论中有着至关重要的作用[7].洛伦兹首先提出动尺缩短——洛伦兹收缩和动钟变慢——洛伦兹时间减慢.爱因斯坦后来一再坦承洛伦兹在引导他通向相对论的胜利道路上的开拓性作用.但爱因斯坦的确在1905年曾一度说过，他并不知道迈克耳孙-莫雷的实验.这可能吗？难道是爱因斯坦忘了吗？是因为他如此深深地沉迷于自己的思路，陶醉于思考的有条不紊的方式，以致忽略了他所有前辈的工作吗？不过，爱因斯坦的奥林匹亚科学院的成员索洛文(1875—1958)承认，他们的确研究、讨论和辩论过关于洛伦兹变换的1904年那篇论文.那么，为什么爱因斯坦在《动体》一文中要另起炉灶而完全不提及前人的工作呢？

要评论“爱因斯坦神话”，我们必须了解，是爱因斯坦的思想实验导致“同时性的相对性”的发现.“同时的相对性”是说，在一个参考系中同时发生的两件事在其他参考系中可能并不同时发生.这个突破性发现，最终使几百年来被奉为神明的牛顿和康德(1724—1804)的先验的“绝对时间”和“绝对空间”轰然坍塌.由于这个突破，我们的时间和空间概念才得以改变，才使得时间和空间的相对性以及“质量和能量的相当性”牢固地建立起来.庞加莱从未放弃以太、绝对静止和绝对同时的概念[8].洛伦兹认为，以他的名字命名的变换并不表示时间和空间的相对性，而只是表示电磁力通过以太作用于运动电荷，并产生压缩的结果(错误，不存在这样的力)！洛伦兹和庞加莱，这两位相对论的先驱在经典物理学的宏伟大厦基础中发现了裂缝.他们试图填补缝隙，修复无法修复的理论.然而爱因斯坦的《动体》一文却另建更为宏伟的新基础，并在新的沃土上播下了物理学未来发展的种子——引力的几何理论(广义相对论)，以及宇宙的起源、演化和结构理论等…….它们在后来的岁月里发芽、开花.造成科学革命的是爱因斯坦的相对论，而不是庞加莱和洛伦兹的相对性理论[8,9].

3　狭义相对论是怎样写成的？

爱因斯坦的相对论，是一个被学术界拒之门外的年轻人的独白.它的革命性反映在下面这个从未被人问过和回答过的最基本、最深刻的问题之中.爱因斯坦运用“思想实验”和真空中“光速恒定”的“规定”，定义了异地时钟的同时和同步.利用思想实验对发生在两个地点的两个事件的同时性的探讨，深刻地影响了物理学家的未来工作.海森伯(1901—1976)曾说过，他运用和爱因斯坦类似的思想实验，发现了量子力学中最基本的“不确定性原理”.

爱因斯坦将“相对性原理”和“光速不变原理”当作公理来建立他的相对论.作为物理学家，他当然知道物理学理论的种子需要观察和实验的土壤，物理学理论必须建立在经过实验检测的原理之上.因此，不像是爱因斯坦不知道洛伦兹、庞加莱和迈克耳孙的工作.实际情况可能是，爱因斯坦通过思想实验，觉得这两个原理是如此简洁，而且普遍有效，从而认为它们应该是非常可靠的.于是，这两个原理就好像是作为无神论者的爱因斯坦的“宗教信仰”一样.因此，即使这两个原理没有经过充分的实验验证，他无论如何仍会把它们作为假设提出来，并留待后人来加以进一步验证.所以，在爱因斯坦心目中，在他以系统的方式建立相对论理论时，前人在这里或那里做的工作并不那么重要.

阅读爱因斯坦关于《动体》的论文，一定会联想到牛顿的《自然哲学的数学原理》.他们创立了各自的物理学体系和宇宙观，两个人的工作都具里程碑式的意义.牛顿发展力学的方法论相似于爱因斯坦相对论的建立.但爱因斯坦是牛顿力学的坚决批判者马赫(1838—1916)的信徒.爱因斯坦的《动体》应当使我们更多地联想到欧几里德(公元前365—公元前275)的《几何原本》.爱因斯坦12岁时首次接触到《几何原本》，他立刻爱上了这本“神圣”的小书.1905年，爱因斯坦26岁，他少年时的迷恋被再次点燃.比较一下就会看出，爱因斯坦的风格与欧几里德的《原本》何其相似！欧几里德以这样的顺序呈现他的几何：

• 定义1，定义2……；

• 公设1，公设2……，(数学中的公理(公设)相当于物理学中的原理.其中的公设5，即平行公理，导致了非欧几何的创立)

• 命题(定理)1，命题2，……(由公理推导)

同样在狭义相对论中，爱因斯坦有

• 定义相对性，定义钟的同步，定义同时性……

• “相对性原理”和“光速不变原理”

• 然后就是爱因斯坦在运动学和动力学中推导的命题

---时-空变换的运动学定理(洛伦兹变换的重新推导)

---动尺收缩和动钟变慢的物理含义(它表明相对论的时间和空间概念与洛伦兹和庞加莱的截然不同)

---速度合成的运动学定理(迭加定理)

---多普勒效应的动力学定理

---光能传输和光压

---麦克斯韦方程的协变性

---低加速电子的动力学

注意到爱因斯坦如此紧密地遵循两千多年前欧几里德的论述顺序，这是多么令人震憾！欧几里德做出他对毕达哥拉斯(勾股)定理的证明而没有提及毕达哥拉斯的名字，同样，爱因斯坦以自己的方式推导洛伦兹变换而没有提及洛伦兹的名字.《动体》的论述显示出它与当时大多数物理学家在这个论题上显著不同.洛伦兹不厌其详地引用所有其他物理学家的工作，特别是迈克耳孙-莫雷实验；而爱因斯坦则是定义，原理和定理.爱因斯坦可能沉醉于欧几里德所激发的狂喜之中.经多年的深思熟虑，爱因斯坦发现如何突破牛顿理论而写出《动体》，它也可命名为《相对论原本》.通过借鉴欧几里德《原本》里所展示的最古老的科学探索方法论，爱因斯坦处理了20世纪以及未来年代物理学的前沿课题.欧几里德的《原本》影响几何、数学和人类理性的发展两千多年.爱因斯坦的《原本》也将对物理学和人类思想产生长久深远的影响.

[1]Einstein A. Zur Elektrodynamik Bewegter Körper[J].Annalen der Physik,1905,17(4):891.

[2]Poincaré H. Maxwell′s Theory and Wireless Telegraphy[M]. New York:McGraw Publishing Company, 1904.

[3]Michelson A A,Morley E W. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Aaether [J]. American Journal of Science,1887,34: 333-345.

[4]Thomas F Glick, ed. The Comparative Reception of Relativity[M].Kluwer Academic Publishers, 1987, ISBN 90-277-2498-9. Criticism

[5]Walker E H. Did Einstein Espouse his Spouse’s Ideas? (PDF).Physics Today, retrieved 24 July 2012.

[6]Whittaker E T.A History of the Theories of Aaaether and Electricity[M]. Longmans, Green, and Co., 1951 (Vol. 1), 1953 (Vol. 2).

[7]Lorentz H A. Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity smaller than that of light[C]. Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences,1904,6: 809-831.

[8]Pais A. The Science and the Life of Albert Einstein[M]. Oxford: Oxford University Press, 1982.

[9]Born M. Die Relativitätstheorie Einsteins und ihre physikalischen Grundlagen[M].Springer, 1920.

Element of relativity

QIN Guan-gen1, CHEN Shi-gu2

(1. CNBM New Energy Materials Research Center, New Jersey Institute of Technology,New Jersey 07102, USA;2. Junior College, Zhejiang Wanli University, Ningbo, Zhejiang 315040, China)

The paper introduces the inspiration and the influence of “thought experiments” and Euclid’s 《elements》 to Einstein in seting up the special relativity. Einstein was the sole founder of the special relativity.

Einstein;special relativity; thought experiment; Euclid’s 《elements》

2015-05-24；

2015-09-24

秦关根(1937— )男，上海人，新泽西理工学院CNBM新能源材料研究中心教授，博士，主要从事材料物理及科学史研究工作.

物理学史与物理学家

O 412.1

A

1000- 0712(2016)01- 0042- 03