现代物理学时代

（1887—1946）

1687年到1887年的200年可以恰当地描述为物理的机械时代，科学似乎已经发现我们生活在一个机械的世界，一个粒子的世界，这些粒子在其他粒子的力的作用下进行运动，这个世界的未来完全由过去所决定。1687年，牛顿的《数学原理》用这种方式非常成功地解释了宇宙天文。1887年以前，麦克斯韦用基本类似的方法解释了辐射，他说，其中包含了在力学定律指导下穿过介质的干扰（搅动）。最后，1887年，赫兹在实验室中制造了麦克斯韦的辐射，并显示了它与普通光的相似性，这似乎在两个世纪以来建造的结构中嵌入了最终的拱心石。

大多数物理学家现在认为这个结构是矗立无疑的，完整且不可撼动，很难想象，未来的物理学家会发现任何比详述宇宙的机械原理，以及将测量物理量推向前进更令人激动的事业。

也不会有人想象事情的实际过程会如何完全不同，但在最后加入拱心石的1887年，这个结构开始摇摆，这是著名的迈克尔逊—莫雷实验进行的一年，也第一次显示出基础有某些缺陷。现在看来，这是机械时代的极点，也是非机械时代的开始。

这并不是说科学在过去的200年中一直沿着错误的道路前进，过去的记录至少已经找到了一套定律，对行星和抛物、自由落体石头和滚球等运动进行了完美或基本完美的描述，它显示了中等大小的物体的一般情况就好像自然是完全力学的，这些都是真实的好的进步，但是科学开始在更广阔的条件下探索自然。对较大和较小的物体的研究可能令人信服地表明，机械画面仍然足以适用，即便是在与人类直接经验相距遥远的领域。实际情况却恰恰相反——作为整体的这幅画面仍然需要根本的改进，自1887年以来的物理史很大程度都反映了这种改进。

绝对空间　第一个大改进是牛顿为自己学说框架所设想的绝对空间被从画面上抹去，介质是整幅画面中并不引人注意的背景，被认为为两种目的服务。它提供了令空间距离可以测量的固定的框架，并可以以电磁波的形式传播辐射，但对其存在没有试验证据，这仅仅是假设。迈克尔逊—莫雷实验的设计是为了可以对这种捉摸不定的介质有更确切的描述，尤其是测量地球在其中的运动速度。

迈克尔逊—莫雷实验通过上面描述的简单形式来进行这个实验当然不可能，这需要高度准确的计时器。但在1887年，两名美国教授——迈克尔逊和莫雷设计了一个看起来适用并且可以得出所需信息的变量。他们将一束光分成两半，其中一半用来进行上面描述的往返行程，另一半作为某种控制力量，在成直角方向上做往返行程，当两个半束光返回光源时，它们合在一起通过一个小的望远镜。

如果地球在介质中出于静止状态，那么两束光当然会以同样的时间进行行程；如果它们在出发时处在一起，它们会一起返回。但如果地球在运动中，它们的时间会稍有不同，而这种不同会以干扰的形式自己显现出来，观察到的不同的量可以揭示出地球运动的速度。该方法非常敏感，一个少于每秒1公里的速度都会造成可见的结果。

正是基于这样的期望，实验被设计出来并得以实施，但是没有检测到时间上的不同，一切都似乎是地球在介质中保持静止的状态时的结果。当然，地球可能在时间进行的时候保持静止，它沿着太阳的每秒19英里的运行被太阳在空间中的每秒19英里的反方向运行抵消了。如果是这样，那么仅仅需要等待6个月，地球便会在空间中以每秒38英里的速度运行。但在6个月后重复进行的实验却得到了一致的结果，而且后来的多次试验也一样，地球似乎始终在介质中保持静止。人们可以认为地球在拉着介质一起运动，但这种可能性已经被光行差现象预先排除了，这确定需要地球在介质中自由运行。

整个情况一度看起来似乎成为谜，但当哈勒姆的洛伦兹和都柏林的菲兹哲罗（1851—1901）几乎同时并各自独立地提出同样的解决方案时，问题便澄清了。两个半束光线尽管平均速度不同，但用了同样的时间完成行程，并且推论似乎是行程的长度不一样。解释整个问题，可以假设，一个物体的运动更导致它在运动方向上而不是在垂直的方向收缩，其收缩量恰好可以抵消两个半束光在速度上的不同（确切的抵消所需要的比率应该是，v是运动的速度，c是光速），这样的收缩永远不会被直接测量查到，因为每个标尺都会与其所测量的物体同样收缩。但是洛伦兹显示，完全符合所需要的量的收缩实际上已经由麦克斯韦的电磁理论预测到，所以迈克尔逊—莫雷实验没有得出更多的结论。事实上仅仅是理论的确证。

但是如果有介质，地球一定在其中穿行，似乎难以想象整个运动会将痕迹完全掩盖，使所有的实验科学手段都不能探查。可是难以想象的事情发生了，另外还有很多实验被设计出来以发现地球在介质中的运行，但都得出了同样的结果：如果有介质，情况就与地球在其中永久静止的情况一样。

相对论　1905年，当时还是波恩的专利办公室的专利检测员的阿尔伯特·爱因斯坦所做的整个讨论出现了一个新的转折。爱因斯坦1879年5月14日出生在乌尔姆的一个犹太家庭，他在慕尼黑、意大利、瑞士的阿劳接受教育，并在去波恩前在苏黎世和沙夫豪森任教，他后来在苏黎世、布拉格，以及苏黎世、柏林的恺撒—威廉物理学院、牛津和普林斯顿大学担任教授或类似职位。

我们已经看到了从一个非常一般性的原则得出科学结果的案例，如列奥纳多、斯蒂文和赫尔姆霍茨所采用的永久运动的不可能性。爱因斯坦认为，上述实验结果的积累可能指向一个类似的一般原则，他这样明确表述：“不可能通过任何实验来确定一个物体在空间的运动速度。”经验表明这在实践上不可能。爱因斯坦现在提出，在原则上也不可能——不是因为人类的技巧不足以找到，而是因为世界的组成和自然法则使其不可能。

新的原则明确地暗示，所有自然现象对于一个以某种速度运行的人而言，与对于一个以另外一个速度运行的人而言是一样的，这立即解释了迈克尔逊—莫雷实验和其他所有类似实验的负面结果。它还进一步显示，自然与绝对速度无关，只与相对速度有关，这样就是所称的“相对论”。

新理论提出了，甚至鼓励形成对物理现象新的解释，以及科学目标的新观点。光速，现在看来，不是对从物质介质凿出的绝对空间恒久不变的相对，而是对观察者的相对，它，而不是介质，现在成为了情况的中心事实。随着题目的开展，可以清楚地知道，自然现象是由我们和我们的经历所确定的，不是由我们之外独立于我们的机械宇宙确定的。在科学婴儿时期的德谟克利特将重点从我们和我们的感觉上卸载下来，并将之转给一个我们之外的客观自然。新的原则现在将之再一次卸载，重新转给我们和我们的主观测量。

如果新的原则是世界组成的一个必然的结果，它应该告诉我们某些关于世界组成的情况。爱因斯坦相应地开始探查新原则的物理内涵，他发现，这与麦克斯韦的电磁理论完全一致，而与牛顿力学有某些出入。例如，一个物体的质量现在取决于它的运动速度，汤姆森证实，对于一个带有电的物体来说这是真实的。新的原则要求对所有运动的问题都适用，该原则进一步要求，所有能量都拥有质量。例如，一个快速运动的物体的动能赋予它上述额外的质量。所以，任何在失去能量的物体必然也在失去质量。例如，太阳的辐射暗示着它的质量以每分钟2.5亿吨的速度在减少，找到太阳辐射之源的问题涉及找到太阳如何失去这么多质量的问题。简言之，质量守恒和能量守恒的大原则变得一致。

空间—时间　1908年，波兰数学家闵科夫斯基对理论的所有内容进行了全新的非常精致的陈述。在此之前，自然法则一直被认为在描述发生在三位空间的现象，而时间在另外一个与之非常不同的维度无变化而不可被打扰地流动。闵科夫斯基现在提出，这个第四维的时间维度与空间的三个维度并不分离，并不独立存在。他引入了一个新的思维空间，其中普通的空间占有三个，时间占一个，我们可以称之为“空间—时间”。在空间—时间的每个点都处于普通空间的三维和时间的一维中，因而可以代表一个粒子在某个给定的时间在普通空间的位置。粒子在普通空间的连续时间所占据的位置的接续可以用一条空间—时间线来表示，这就是我们所称的粒子的“世界线”。

当我们描述一般光学原则时，我们通常将光想象为在三维空间中穿行。引力主导着我们日常生活的一切，使得我们本能地将一般空间想象成两个水平维与一个垂直维。但是一般光学与真理无关，所以光学定律中对垂直维和水平维不加区分。空间可能以某种方式分为三个维度，但光学定律仍然和以前一样不变。现在，如同光学定律指向一个部分水平和垂直维度的三维空间一样，自然法则也指向一个不加区分时间与空间的四维时间—空间，这至少是闵可夫斯基加以变异的相对理论。换言之，自然拒绝将四维时空分裂成绝对的空间和绝对的时间。

正是由于这一点，牛顿的绝对空间和绝对时间跌出了科学之外，并且同时带走了众多原则。首先离开的是同时性概念，如果没有万有引力，垂直和高度就毫无意义，因而说两点在同一高度也毫无意义。同样，如果没有绝对时间，说同时在不同的两点发生的事情也没有意义，或者除非特定情况，说其中一个先于另一个也没有意义。这使得牛顿的引力定律变得没有意义。说在S点的太阳吸引了在E点的地球，并且引力取决于ES的距离就没有意义，除非我们可以对ES赋予确定的含义。

做到这一点，我们必须知道太阳在某一时刻的位置，以及地球在同一时刻的位置，如果同时性这个概念毫无意义，那么上述这些就没有意义。现在要找到某种方法来处理与同时性无关的引力，爱因斯坦通过他的“等效原理”找到了答案。

等效原理　当乘坐旅行的飞机进行一次快速转弯时，我们对于水平和垂直的概念会出现奇怪的混淆，引力似乎改变了方向。解释是，飞机及其内部的一切正在进行加速，其效果类似于引力的效果——其程度之大可以将加速和原来的引力合二为一，成为一个新的引力并在新的方向上发生作用。同样，当一个升降机快速发动或停止，加速会习惯一个新的引力一样发生作用，并与以前的力合二为一，并且难以分辨，好像我们的身体重量经历了一个突然的改变。

这样的考虑令爱因斯坦在1915年提出一个新的原则——“等效原则”，引力和加速产生的伪引力不仅看起来相似，而且非常相似，以至于任何实验都不能将它们分开。这种想象会导致令人惊异的结果，我们已经看到将闵可夫斯基时空变成普通时间和空间的任何分割都是我们自己的选择，即主观性的。为了将自然法则进行客观描述，我们必须避免将它们陈述成普通的时间和空间，而只能通过闵可夫斯基的总体时空说法，它们可以这样被描述就是相对原则的所有内容。举例而言，牛顿第一定律可以这样表述：一个粒子的世界线，在该世界线上没有任何力的作用，那么它是一条直线。如果一个粒子受到引力的作用，它的世界线就不会是一条直线。我们可以预计它是一条曲线，而实际上的证明也是这样，但是弯曲对于闵可夫斯基的时空是固有的，对于世界线却不是。为了对引力所产生的效果进行客观的描述，爱因斯坦发现有必要将时空想象为曲线状，必要的曲线可以比作橡皮气囊的曲线，四维时空与橡皮的表面对应，不是与球的内部空间和外部空间对应。在物质的附近有特殊的曲线，尽管我们不能说物质是原因或结果。在这个弯曲的时空中，一个粒子的世界线无论是否有引力作用，都是“大地线”——一个需要解释的术语。

大地线，简言之，就是最短的距离。这个术语用于地理学（测地线），意指在地球表面从一个地方到另一个地方的最短路径——一架飞机从一个机场飞到另一个机场的最短路径，或者用一根线在地球表面拉紧后所标出的路径，该术语更加笼统地指（一般使用“大地线”这个称谓）在弯曲表面或在弯曲空间内从点到点的最短线。在任何没有弯曲的表面或在任何没有弯曲的空间内部，大地线当然是直线。

时空的任何附近没有引力物质的区域都是非弯曲的，因而大地线这里也是直线，这意味着粒子以单一的速度沿直线运行（牛顿第一定律），但行星、彗星和地上抛物体的世界线在某个时空区域内是世界线，并因为在地球或太阳的附近而弯曲，因而不是直线。可是并不需要一种引力来压迫世界线的弯曲，弯曲是空间的内在属性，就像飞机路程线的弯曲是地球表面弯曲的内在属性一样。

牛顿和爱因斯坦的理论预测了同一种物体运动，即没有任何力作用的物体的运动，或者说，就是匀速直线运动，他们还预测了在有引力的物质的作用下慢速移动的物体的相同运动。到目前为止，还不可能通过观察对两种理论进行取舍，但是两种理论预测了高速移动的物体的不同运动，因而对此类物体的观察会对两种理论产生区分作用。

根据牛顿的定律，一个行星一定以完美椭圆的轨道绕日运转。根据爱因斯坦的理论，椭圆一定在自己的平面慢速旋转。一个早已知晓的事实是，水星的轨道——行星中运行最快者，表现出了这种旋转运动。勒维烈首先注意到了这个现象，然后是美国天文学家西蒙·纽康测量了其量值。科学家们曾经有过很多不成功的尝试对其进行解释，但是只有爱因斯坦的理论可以立刻做到这一点，并且可以预测其真实的量值。

其他观察实验也是可能的，爱因斯坦的相对原则需要一束光线在靠近引力体时发生偏向，根据这个要求，出现在太阳附近的星体应该被观测到从原来恰当的位置偏移，这种偏移只有在日食时发生，但是它们在爱因斯坦的理论出现时还没有被观测到，直到1919年当格林尼治天文台和剑桥天文台在日食时进行特意搜寻时，它们才出现在人们的视线中，并立刻将科学舆论转向爱因斯坦。从那时起，人们开始普遍接受，这个理论必将取代牛顿的理论。

最后，相对原则要求，当光在一个由引力作用的区域产生出来时，例如在一个星体的表面，光的光谱中的线一定靠向光谱的红色一端，效果十分微小，一般不可观测到，但在高密度星体发出的高量线中得到了确定无疑的证明。这个原则成为了天文学的日常工具，并为测量星团的质量和直径提供了方法。

爱因斯坦的这个推演是希尔罗原则的直接后续，即在普通空间中，光线在其间两点间取最短路径——简言之，世界线就是大地线。在光方面，爱因斯坦的推演仅仅是将这个原则推广到了弯曲的时空中，并提出，即便在引力体附近，光线的世界线仍然是最短的距离，尽管不再是直线，在物质团的运动方面，情况也基本如此。最小作用原则通过将一个特定量确定为最小来确定行星的路径，爱因斯坦的新原则的方法也是通过将一个特定量确定为最小即大地线的长度来确定。将这个最后的解决方法与先前的解释行星轨道的努力相比较是有意义的，我们回顾一下欧多克索斯和卡利普斯的互连球，托勒密和中世纪科学家的复杂的圆形和周转圆，开普勒的椭圆，牛顿和多数现代人，直至最后我们以极其简单的爱因斯坦的“最短距离”来结束。这是一个很好的例证，当我们从正确方向接近一个难题时，它会变得简而又简。

爱因斯坦和牛顿的两个推演在物理解释上是互相分离的两极，但认为牛顿的推演毫无价值，仅仅是错误的集合显然是不对的。牛顿引力定律的量化错误极为微小，在大约200年的时间里没有发现任何错误，甚至没有任何怀疑。的确，爱因斯坦和牛顿的理论的不同更在于一个小的比率的平方，，V是星体的运动速度，C是光速。即使对于最快运行的行星水星而言，这个平方也仅仅是0.00000003，在整个太阳系中，两个理论的量化区别仅仅是这个小小的分数或更小。当我们从天空来到地球时，我们发现日常科学仍然完全是牛顿式的。建筑一座桥，一艘船，火车机头的工程师仍然按照爱因斯坦前的牛顿的方式在做事，准备航海天文年历的计算机、讨论行星一般运动的天文学家也是一样。

在理论以如此简单的方式解释了引力的表观力之后，其他类的力自然可以进行研究了，尤其是电和磁方面的力。法拉第和麦克斯韦曾经认为，在一点的电力表明该点的介质的扰动或位置偏移，而在这种情况下电力应该在空间的任何一点都有一个确定值。相对论现在显示，在一点的力仅仅是测量问题。不同的测量方法会得出不同的值，而且各个值都同样正确。绝对力被视为臆想，就如同绝对空间和绝对时间。同样的，一个运动物体的质量被发现取决于所测量到的运动速度，而这又取决于测量者，或者测量者的运动速度，这样，绝对质量跌出了科学的研究范畴，并且由于能量与质量成正比，所以也随之被淘汰，认为能量在空间的不同部分被“本地化”的观点必须被抛弃。

爱因斯坦和其他人曾经试图构筑一种“单一场理论”，即用一个综合的框架来解释电磁力和引力（重力），并视之为空间特性的结果。说在这些方面没有取得进步是不对的，但没有达到完全成功是确定的，而且在当时，没有一个单一的理论可以得到大范围的赞同，我们仍然处在知识的前沿，而电磁力的答案在于尚未得到控制的位置知识。