狭义相对论面前的创新

阿基米德、伽利略、牛顿……一些伴随我们学生时代以致终身的名字。

杠杆、浮力、力学、运动、落体、引力……一些伴随我们学生时代以致终身的名词。这些名词，也是科学家们从2000多年前就开始研究的课题或难题。于是，人们唱响了“月落乌啼总是千年的风霜”的歌谣……这歌谣唱到了19世纪末叶，又有了新的内容。

这个新的内容是，物理学出现了“危机”。

出现了什么“危机”呢？这得从17世纪说起。

17世纪是近现代科学和科学方法的起点，其标志是“近代科学之父”伽利略创立了科学的方法论。

17世纪也是近现代科学最辉煌的世纪之一。其标志是伽利略和牛顿等人创立的经典力学体系——核心是牛顿三大力学定律和万有引力定律，以及牛顿、莱布尼兹发明的微积分。

“问题”就出在经典力学体系上。

经典力学又叫古典力学。它认为，时间、空间和质量都是绝对不变的——都和运动毫无关系。举例来说，质量1千克的物体，不管它是静止还是低速运动或高速运动，始终都绝对是1千克。这个看法叫“绝对时空观”。

是啊，谁见过1千克的物体跑起来之后会成2千克呢？所以，对于绝对时空观，一直到19世纪末，人们都深信不疑。

到了19和20世纪之交，物理学的“天空”却出现了“两朵乌云”。

1900年4月27日在英国皇家研究所，大名鼎鼎的英国科学家、英国皇家学会会长开尔文(1824～1907)发表了题为《热和光的动力理论上空的19世纪乌云》的讲演。他在讲演中声称，物理学的大厦已基本建成，只不过它的上空有两朵乌云而已。这就是两朵乌云的来历。

可是，科学家们很快就发现，“基本建成”的“物理学大厦”上空不仅仅是“乌云”，而是物理学出现了“危机”——人们意识到，用经典力学体系框架无法驱散这两朵乌云！

当然，这个时期的“乌云”远不止“两朵”。例如，光电效应、元素的放射性等出现的“怪现象”，科学家们都无法用经典力学体系来“自圆其说”。此时的经典物理学大厦已是“满目疮痍”，上空更是“乌云密布”。

那么，这两朵乌云又是怎么回事呢？

开尔文所说的两朵乌云中的第二朵，是“能量均分原理”遇到的麻烦，例如“紫外灾难”。所谓“紫外灾难”，是指由经典力学理论推出的一个结果和实验事实不符：在理论上，黑体辐射的短波(紫光区)的能量应该是无穷大，但实验值却是零。解决这个“灾难”，最终导致量子力学在20世纪20年代诞生——它是摧毁经典物理学大厦的力量之一。但是，这个问题与我们的主题关系不大，不再谈论。

我们主要谈论两朵乌云中的第一朵——“以太漂移”问题。

“以太”这个词源于希腊文，意思是高空。它是古希腊科学家亚里士多德设想的一种微粒。

究竟有没有“以太”？科学家们争论了2000多年。

在以太的研究中，最恼人的就是“以太的漂移”问题：地球在以太中运动，两者的相对运动(称为“以太风”)究竟是怎样的？为了搞清以太风，19世纪末物理学家们做过各种各样的实验。其中最著名、精度最高的是美国物理学家迈克尔逊(1852～1931)同美国化学家莫雷(1838～1923)于1887年在克利夫兰合作的“迈克尔逊莫雷实验”。实验得到以太漂移的“零结果”——否定了以太的存在。

对于“零结果”，爱尔兰物理学家费兹杰惹(1851～1901)在1889年提出了“收缩假说”：物体在以太中运动时，在运动方向上要缩短，等等。此外，在1890年，德国物理学家赫兹(1857～1894)还明确指出，光速与光源的运动速度无关；这显然与力学中的“伽利略变换”相抵触。为了解决这一矛盾，荷兰物理学家洛仑兹(1853～1928)在1892年提出了著名的、成为相对论相对性原理基础的“洛仑兹变换”(公式)。他还在1904年发表了这个公式。

然而，洛仑兹虽然比爱因斯坦更早发现了狭义相对论的核心公式，但却在经典力学的桎梏下产生“云横秦岭家何在”的迷茫，没能再进一步——创立狭义相对论。

另一个研究“零结果”的是来自法国的科学家庞加莱(1854～1912)。他在1895年用“尺缩”假说来解释，并提出了相对性原理。他还在1904年在一次演说中正式表达了相对性原理。

然而，他也在牛顿绝对时空观的框架笼罩中“雪拥蓝关马不前”了。这样，他虽然也走到了狭义相对论的边缘，但也与它擦肩而过。

除了洛仑兹、庞加莱外，还有不少科学家都试图在经典力学“院子”内“拆东墙补西墙”，结果是“补得西来东又倒”——在一些问题上似乎讲通了，但在另外的问题上又出现新的更大的矛盾……在一切“削足适履”的尝试宣告失败之后，科学界陷入深深的困惑之中……于是，历史选择了敢于挑战经典力学，有“包天之胆”和有更大智慧的爱因斯坦。他于1905年在《物理年鉴》17卷891～921页上，创造性地发表了《论动体的电动力学》，创立了狭义相对论。它和1915年诞生的广义相对论一起，成为摧毁经典物理学大厦的另一个力量。

“高高的树上结槟榔，谁先爬上谁先尝。”是爱因斯坦“先爬上”而“尝”到了“槟榔”。

爱因斯坦胜过洛仑兹和庞加莱等人之处在于，他在“山重水复疑无路”的时候，能在科学分析的基础上发挥大胆的想象力，摒弃绝对时空观，用“光速不变”和“相对性”这两个原理，把那一切综合成为一个完整的新理论——狭义相对论。

经典力学体系建成的“物理学大厦”，被相对论力学和量子力学的两股强大的风暴摧毁以后，“危机”被克服，物理学就“柳暗花明又一村”。

对于爱因斯坦的创新，以创立物质波理论闻名的法国物理学家路易·德布罗意(1892～1987)万分感慨：“……人类的科学已经建立起两座屹立在未来历史中的丰碑：相对论和量子论。第一座丰碑的出现完全是由于爱因斯坦创造性的智慧，……人们不能不为在这短短的岁月里完成如此深邃又如此富有创造性的工作而感到惊奇和赞叹。”

创造性是才华的突出特征。在人类的一切才华中，创造性是最有价值的一种能力。

由此可见，“神话永远不属于凡人”。

顺便说一下，物理学中还有第三朵“乌云”——“EPR悖论”。

在1935年5月15日出版的美国《物理学评论》杂志上，爱因斯坦、波多尔斯基、罗森联合发表了论文《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》，对量子力学的完备性等提出了质疑，并由此引出了量子力学中的一些矛盾。这就是著名的“爱-波-罗悖论”——用三人的姓氏简称为EPR悖论。由于当时没有完全克服这个悖论，所以许多物理学家把它叫做物理学中的第三朵“乌云”，甚至有人把它称为物理学的“20世纪的第三次狂飙”。这朵“乌云”，至今还没有完全“抹去”。

对于爱因斯坦创立的相对论，我们必须有清醒的认识。首先，它至今没有被完全彻底地证实和得到公认。其次，正如英国数学家和哲学家怀特海(1861～1947)所说，没有完全的真理，所有的真理都是半真半假的一天地万物唱哪支物理学的“同一首歌”，我们至今还不能完全知晓。

不过，这不是太关紧要——因为更重要的是，相对论的创立，体现了创新才能使社会进步的铁则。正如印度作家兼社会活动家泰戈尔(1861～1941)所说：“世界上使社会变得伟大的人，正是那些有勇气在生活中尝试解决新问题的人！那些循规蹈矩的人不能使社会进步，仅能维持现状。”