中国科学院研究生院

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1、（中国科学院研究生院， 北京 100049）阿尔伯特? 爱因斯坦（ Albert Einstein, 18791955）是 20 世纪最伟大的科学家、思想家和人。作为科学家，他是 19 和 20 世纪之交物理学革命的发动者和主将，是现代科学的奠基者和缔造者。他的诸多科学贡献都是开创性性的和划时代的。按照现今的诺贝尔科学奖评选标准，他至少应该荣获五六次物理学奖（狭义相对论、布朗运动理论、光量子理论、质能关系式、广义相对论，以及固体比热的量子理论、受激辐射理论、玻色-爱因斯坦统计、宇宙学等） 。爱因斯坦在物理学家心目中的威望和位置遥遥领先。据说，1999 年 12 月， 物理学世界 （Physic

2、s World）杂志在世界第一流物理学家中间做了一次民意测验，询问在物理学中做出最重要贡献的五位物理学家的名字。在收到的表格上，共有 61 位物理学家被提及。爱因斯坦以 119 票高居榜首，牛顿紧随其后得 96 票。麦克斯韦（67 ） 、玻尔（47） 、海森伯（30 ） 、伽利略（27 ） 、费因曼（23 ） 、狄拉克（22）和薛定谔（22）出现在前 10 名中。130 位调查对象只有一人提名斯蒂芬?霍金要知道，他可是当今全球知名度最高的科学家啊。 作为思想家，爱因斯坦的以开放的世界主义、战斗的和平主义、自由的民主主义、人道的社会主义为标志的社会政治哲学，以及远见卓识的科学观、别具只眼的教育观

3、、独树一帜的宗教观，无一不是人类宝贵的思想遗产，它们将会成为 21 世纪“和平与发展”主旋律中的美妙音符，永远充当社会进步和文明昌盛的助推器。他的科学哲学是由五种要素温和经验论、基础约定论、意义整体论、科学理性论、纲领实在论构成的独特而绝妙的多元张力哲学。在这个兼容并蓄、和谐共存的哲学统一体中，这些不同的乃至异质的要素相互限定、珠联璧合，彼此砥砺、相得益彰，保持着恰如其分的“必要的张力” ，从而显得磊落轶荡、气象万千。他的探索性的演绎法、逻辑简单性原则、准美学方法、形象思维等科学方法论别出机杼，所向披靡。他关于科学的客观性、可知性、统一性、和谐性、因果性、简单性、不变性等科学思想涵义深邃，意蕴

4、隽永。它们是 19 和 20 世纪之交科学哲学和科学方法论的巅峰以马赫、彭加勒、迪昂、奥斯特瓦尔德、皮尔逊为代表的批判学派之集大成和发扬光大，是现代哲学的思想奇葩和智慧结晶，从而在在哲学史和思想史上浓墨重彩地大书一笔，成为世人取之不尽、用之不竭的精神宝藏。 爱因斯坦作为一个大写的人，他对生命的价值和人生意义的理解，他对真善美的不懈追求，他的独立的人格、仁爱的人性和高洁的人品，这一切形成了他的丰盈的人生哲学和道德实践，成为人类高山景行的楷模和人的自我完善的强大的精神力量。在某种意义上，作为人的爱因斯坦比作为科学家和思想家的爱因斯坦还要伟大。当他活着的时候，全世界善良的人似乎都能听到他的心脏在跳动

5、；当他去世时，人们不仅感到这是世界的巨大损失，而且也是个人的不可弥补的损失。这样的感觉和情愫是罕有的，一个自然科学家的生与死能在世人中间引起这样的感觉，也许在历史上还是头一次。 说到此处，我们蓦然想起宋人钱惟演的对竹思鹤 。钱诗云：“瘦玉萧萧伊水头，风宜清夜露宜秋。更教仙骥旁边立，尽是人间第一流。 ”以此诗之意象隐喻爱因斯坦，岂不是神来之笔，惟妙惟肖？！ 今年是爱因斯坦创立狭义相对论（写于 1905 年 6 月，发表于同年 9 月）100 周年和逝世（1955 年 4 月 18 日）50 周年，联合国不失时机地把 2005 年定为“物理学年” ，德国、瑞士等国家也把 2005 年定为“爱因斯坦

6、年” ，以表达对爱因斯坦的纪念。为纪念这位百年或千年难得一遇的世界伟人，北京大学出版社适逢其会地出版爱因斯坦的著作狭义与广义相对论浅说等，这既表达了对爱因斯坦的缅怀之心和铭感之情，更表明继承和发扬他的思想遗产和精神菁华之意。 （一）爱因斯坦的“幸运年” 1905 年，是爱因斯坦的“幸运年” 。是年，晴空响霹雳，平地一声雷爱因斯坦在德国物理学年鉴17 卷发表了著名的“三合一”论文，当时他还是瑞士伯尔尼专利局的一个默默无闻的小职员。 第一篇论文是关于光的产生和转化的一个启发性的观点 ，即光量子论文，写于 1905 年3 月。爱因斯坦在其中大胆提出光量子假设：从点光源发出来的光束的能量在传播中不是分

7、布在越来越大的空间中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，只能整个地吸收或产生出来。从这一假设出发，他讨论和阐释了包括光电效应在内的 9 个具体问题。这篇论文的确是 “非常革命的” ，它使沉寂了 4年之久的普朗克的辐射量子论得以复活，并拓展到光现象的研究之中。它直接导致了 1924年德布罗意物质波的概念和 1926 年薛定谔波动力学的诞生。 第二篇论文是热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动 ，即布朗运动论文，写于 1905 年 5 月。该论文指出古典热力学对于可用显微镜加以区分的空间不再严格有效，并提出测定原子实际大小的新方法。这直接导致佩

8、兰 1908 年的实验验证，从而给世纪之交关于原子实在性的旷日持久的论争最终画上句号。 第三篇论文是论动体的电动力学 ，即狭义相对论论文，写于 1905 年 6 月。这篇论文并非起源于迈克耳逊-莫雷实验。它由麦克斯韦电动力学应用到运动物体上要引起似乎不是现象所固有的不对称作为文章的开篇，通过引入狭义相对性原理和光速不变原理两个公设以及同时性的定义，从而推导出长度和时间的相对性及其变换式，一举说明了诸多现象。紧接着在同年 9 月，爱因斯坦又完成了 物体的惯性同它所含的能量有关吗？ 这篇不足3 页的论文，通过演绎，轻而易举地导出了质能关系式 E=mc2，得出“物体的质量是它所含能量的量度”的结论，

9、从而叩开了原子时代的大门。 狭义相对论的提出是物理学中划时代的事件。它使力学和电动力学相互协调，变革了传统的时间和空间概念，提示了质量和能量的统一，把动量守恒定律和能量守恒定律联结起来。它与 10 年之后创立的广义相对论，在科学史上的矗立了一座巍峨而永恒的丰碑，全面打开了物理学革命的新局面。海森伯曾经说过：“在科学史上，以往也许从来没有过一个先驱者象阿尔伯特?爱因斯坦和他的相对论那样，在他在世时为那么多的人所知道，而他一生的工作却只有那么少的人能够懂得。然而，这个名声是完全有理由的。因为有点象艺术领域中的达? 芬奇或者贝多芬，爱因斯坦也站在科学的一个转折点上，而他的著作率先表达出了这一变化的开

10、端；因此，看来好像是他本人发动了我们在本世纪上半期所亲眼目睹的这场革命。 ” 爱因斯坦的“三合一”论文是在 8 周内一气呵成的，当时他只是瑞士伯尔尼专利局一名默默无闻的小职员。奇迹是怎样发生的呢？ “问渠那得清如许，为有源头活水来。 ” 在叙述爱因斯坦创立狭义相对论之前，我们先回顾一下当时的科学背景以及先驱者们的工作，尤其是洛伦兹和彭加勒的贡献。（二）19 世纪末的物理学状况 从 19 世纪初光的波动说复活以来，物理学家一直对传光媒质以太议论不休，其中一个重要问题就是以太和可称量物质（特别是地球）的关系问题。 当时，有两种针锋相对的观点。菲涅耳在 1818 年认为，地球是由极为多孔的物质组成的

11、，以太在其中运动几乎不受什么阻碍。地球表面的空气由于其折射率近于 1，因而不能或者只能极其微弱地曳引以太，可以把地球表面的以太看作是静止的。 斯托克斯认为菲涅耳的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上，因而是不能容许的。他于 1845 年提出，在地球表面，以太与地球有相同的速度，即地球完全曳引以太。只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的。由于菲涅耳的静止以太说能圆满地解释光行差现象（由于地球公转，恒星的麦观位置在一年内会发生变化） ，因而人们普遍赞同它。 假使静止以太说是正确的，那么由于地球公转速度是每秒 30 公里，在地球表面理应存在“以太风” 。多年来，人们做了一系列

12、的光学和电学实验（即所谓的“以太漂移”实验） ，企图度量地球通过以太的相对运动。但是，由于实验精度的限制，只能度量地球公转速度和光速之比的一阶量，这些一阶实验一律给出否定的结果。 随着麦克斯韦电磁理论的发展，人们了解到，与地球公转速度和光速之比的平方有关的效应，应该能在光学和电学实验中检测到。因为麦克斯韦理论隐含着，光、电现象有一个优越的参照系，这就是以太在其中静止的参照系，以太漂移的二阶效应理应存在。但是这个实验精度要求太高，一时还难以实现。 其实，麦克斯韦早在 1867 年就指出，在地球上做测量光速的实验，因为光在同一路径往返，地球运动对以太的影响仅仅表现在二阶效应上。1879 年，麦克斯

13、韦在致美国航海历书事务所的信中就提出了度量太阳系相对以太运动速度的计划，当时在事务所工作的迈克耳逊采纳了这一建议。 1881 年，迈克耳逊正在德国柏林赫尔姆霍兹手下留学。由于在柏林无法完成实验，迈克耳逊把别人为他建造的整个装置运到波茨坦天体物理观测站进行实验。他所期望的位移是干涉条纹的 0.1，但实际测得的位移仅仅是 0.0040.005，这只不过相当于实验的误差而己。 显然，否定结果（也称“零结果” ）表明，企图检测的以太流是不存在的。迈克耳逊面对事实不得不认为：“静止以太的假设被证明是不正确的，并且可以得到一个必然的结论：该假设是错误的” ， “这个结论与迄今被普遍接受的光行差现象的解释直

14、接矛盾” ， “它不能不与斯托克斯 1846 年在哲学杂志发表的论文附加摘要相一致” 。不过，这次实验的精度还不够高，数据计算也有错误。1881 年冬，巴黎的波蒂埃指出了计算中的错误（估计的效果比实际大了两倍） ，洛伦兹在 1884 年也指出了这些问题。因此，无论迈克耳逊还是其他人，都没有把这次实验看作是决定性的。迈克耳逊本人此后也将兴趣转移到了精密测定光速值，对 1881 年的实验进行改良的工作就这样搁置下去了。 1884 年秋，威廉?汤姆逊访问美国，他在巴尔的摩作了多次讲演。到会听讲的迈克耳逊有机会会见了与汤姆孙一起访美的瑞利勋爵，他们就 1881 年的实验交换了意见。与此同时，瑞利也转达

15、了洛伦兹的意见。瑞利的劝告给迈克耳逊以极大的勇气，他进一步改进了干涉仪，和著名的化学教授莫雷一起，于 1887 年 7 月在克利夫兰重新进行了实验，此时的迈克耳逊已是克利夫兰城凯思应用科学院的教授了。 为了维持稳定，减小振动的影响，迈克耳逊和莫雷把干涉仪安装在很重的石板上，并使石板悬浮在水银液面上，可以平稳地绕中心支轴转动。为了尽可能增大光路，尽管干涉仪的臂长已达 11 米，他们还是在石板上安装了多个反射镜，使钠光束来回往返 8 次。根据计算，这时干涉条纹的移动量应为 0.37，但实测值还达不到 0.01。 迈克耳逊和莫雷认为，如果地球和以太之间有相对运动，那么相对速度可能小于地球公转速度的

16、1/60，肯定小于 1/40。他们在实验报告中说：“似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。 ” 1887 年实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的，而且在很长一段时间内依然如故。人们并没有认为该实验是判决性的，就连迈克耳逊自己对他的结果也大失所望，他称自己的实验是一次“失败” ，以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性)，不愿再进行长期的观察，而把干涉仪用来于其他事去了。 迈克耳逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义，他觉得实验之所以有意义，是因为设计了一个灵敏的干涉仪，并以此自我安慰。直到晚年，他还亲自对爱因斯坦说，他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物” ，他实在是有点懊悔的。 洛伦兹对迈克耳逊实验的结果也感到郁郁不乐，他在 1892 年写给瑞利的信中说：“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛盾，不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，我们就根本不会