爱因斯坦对牛顿时空观的怀疑

对牛顿的时空观有怀疑并不是始自爱因斯坦。从牛顿时代直到爱因斯坦时代的某些物理学家也感觉到,牛顿的绝对时间和绝对空间有明显的毛病:既然绝对时间和绝对空间同任何外界事物没有联系,那么怎样才能知道它们存在呢?牛顿无法回答,只能说上帝创造。康德说是先验的,即先于经验,人一生下来就有的。在牛顿力学统治物理学的200多年间,绝对时间和绝对空间被捧上先验的天国,不许人们对它们有所怀疑。故在广大物理学家心目中,它们是神圣不可侵犯的。个别人虽有疑问,慑于牛顿的权威,也不敢提出来。

爱因斯坦不但怀疑牛顿的时空观,而且直接向它发起挑战。爱因斯坦证明,牛顿的这些“齿轮”是柔韧可变化的(flexible)。应该指出,爱因斯坦当时受到马赫的怀疑、批判精神的鼓舞。哲学家马赫在人们还普遍对牛顿力学顶礼膜拜的时候,就系统地批判牛顿力学,特别是批判牛顿的绝对时空观,表现了他的远见卓识,给爱因斯坦留下了深刻的印象和重要的启示。爱因斯坦用怀疑和批判的眼光去看待物理学的传统观念,大胆地冲破经典时空的束缚,并用探索性的演绎方法,即从一般到个别,从普遍到特殊的探求未知的方法,研究困扰已久的理论问题。爱因斯坦所困扰的是:间断的质点力学(牛顿力学)和连续的电磁场理论(麦克斯韦理论)的矛盾和不统一,伽利略的相对性原理和光速不变原理都有实验事实依据,两者为什么会产生矛盾?两者的矛盾是真实的还是虚假的?它们能否统一,如何统一?

迈克尔逊—莫雷的以太漂移实验似乎说明,地球带着地球表面的以太一起前进了,所以测不出以太相对于地球的漂流速度。这一实验实际是一个“判决实验”,即它能判定一种理论能否站得住脚。实验表明,“地球既要带着以太前进,又不能带着以太一起前进”。以太既摸不着,又测不出。零结果实际宣布以太的死刑。因此,以太的假设是多余的,要彻底抛弃以太的概念。

迈克尔逊—莫雷的实验的作用并不仅限于否定以太说,更为重要的是,它为狭义相对论的提出提供了难得的新线索。这是因为在此以前的牛顿力学中,认为时间本身和物体长度在参照系变换中是保持不变的、绝对的。因此,同一个质点的运动在两个相对做恒定速度平移运动的惯性系之间变换时,应该具有不同的速度。

迈克尔逊—莫雷的实验的否定结果是光速不变的实验证明,但这个实验结果的确没有在爱因斯坦创立的狭义相对论的思考中起重要作用。爱因斯坦是以自己的方式,从光速出现在麦克斯韦方程中因而它应当不变出发来考虑的。他的结论是:电磁波传导不需要任何传播介质。爱因斯坦后来认为,迈克尔逊—莫雷的以太漂移实验是一个非常成功的实验。

爱因斯坦的假设和迈克尔逊—莫雷的以太漂移实验表明,光在任何一个惯性系中在所有方向的传播速度都一样。于是,在上述两个惯性系中变换时,必须对时间和位置坐标进行变换。这就是著名的洛伦兹变换。它为狭义相对论的提出奠定了坚实的基础。