爱因斯坦传(26)_应天故事汇

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二六

这种观点认为，时间在均匀地流逝，并且想象在宇宙中有一种“标准钟”，人们可以从放在任意地方的这种时钟上读出“绝对时间”。后来，牛顿又谈到了“绝对运动”，这是由“绝对空间”和“绝对时间”联想到的。他给“绝对运动”下的定义，亦即“物体从一绝对地点转移到另一绝对地点”。　　绝对时间和绝对空间是牛顿力学的根基。然而，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关系，那么怎样才能知道它们存在呢？这个问题，牛顿没有办法回答。他只能说，绝对时间和绝对空间是上帝的创造。后来，康德又把绝对时间和绝对空间说成是先验的。先验的意思就是先于经验，人一生下来就有的。这样，牛顿和康德把绝对时间和绝对空间捧上了先验的王国，不许人对它们有怀疑。　　不过，怀疑绝对时间和绝对空间的人还是有的。莱布尼兹就批判过绝对时间和绝对空间，但是没有把它们批倒。到19世纪，马赫又对牛顿的时空概念作了有力的批判，但还是没有批倒。这是因为要改变时间和空间的概念，客观条件还没有成熟。建立在绝对时间和绝对空间基础上的牛顿力学，200多年来，在解决宏观低速现象的问题中，取得了无比辉煌的成功。直到20世纪初，在物理学中，牛顿巨大的身影仍然君临一切，绝对时间和绝对空间的概念，在物理学家的心里依旧是神圣不可侵犯的。要等到物理学的研究对象，从宏观领域进入原子和电子的微观领域，从低速领域进入光速和近光速的高速领域，以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为基础的经典物理学，才暴露出严重问题。　　此外，实验物理学也使人们对牛顿关于时空和运动的教条产生极大的怀疑。地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着太阳转动。我们的太阳系以每秒20公里的速度在宇宙中飞驰。最后是我们的银河系，它与其他遥远的银河系相比，以相当高的速度不停地在运动。那么，要是光以太是静止存在于“绝对空间”之中，并且天体穿过它运行，这种运动的结果对于光以太来说必然是显著的，而且使用精密的光学仪器也一定能够验证“以太风”。　　美国物理学家迈刻尔逊做了第一个实验。他出生于波兰，1881年曾在柏林和波斯坦做过亥姆霍兹的奖学金研究生。他的实验由于实验装置不够齐全，结果说服力不够强。6年以后，迈刻尔逊在美国使用亲自设计的高精度镜式干涉仪，同莫勒合作重复了他以前的实验。这台新式测试仪如此的精确，以致于仪器本身受“以太风”的影响都能清晰地显示出来。但是这次实验以及以后的多次反复实验，都没有看到那种现象。证明光速完全是恒定的、与光源和观察者的运动无关。“迈刻尔逊实验”是物理学史上最著名的实验之一，也是相对论的基本实验。爱因斯坦十分钦佩迈刻尔逊的实验技巧。　　迈刻尔逊的实验得到的结果，是彻底否定了光以太的存在。一开始，人们还想使虚构的以太假说与光速恒定的事实一致起来，从而来“拯救”以太。1895年，荷兰物理学家洛仑兹假定，快速运动物体在运动方向上会产生机构收缩（“洛伦兹收缩”），为的是用这种方法在机械世界观范畴内把迈刻尔逊实验结果跟光以太和绝对空间捏合起来。这种设想尽管十分巧妙，毕竟是人为假想，不仅明显带有目的性假说的性质，而且从长远看来不会使理论物理学家满意。　　迈刻尔逊的实验结果使理论物理学家陷入难以自拔的思维困境，又像是一个无法解开的死结，但它被年轻的爱因斯坦，以无畏的剑一下砍断了。　　爱因斯坦在学生时代就已经从《自然科学通俗读本》深知光速的意义，从阿劳时期开始，一直在反复琢磨：倘若一个人以光速跟着光波跑，那将会看到什么结果呢？联想到麦克斯韦的电动力学和迈刻尔逊实验的否定结果以及马赫对牛顿力学基础的批判，正是在这个早先的理想实验中，相对论应运而生。在自传中，爱因斯坦这样记述着他的相对论的出发点：“这样，人们搞清楚了物理学中某一事件与空间坐标的时间值的意义。” 　　对时间值的分析成为相对论研究的直接起点。爱因斯坦一开始就研究了同时性的概念。他的研究结果归纳如下：倘若有一种速度无限大的传递信号，那么在科学上是十分重要的，据此可以建立起相距遥远地方的两个事件的绝对同时性。不过，由于作为最大信号速度的光速是有限的，并且对所有的观察者而言又都是一样的，因而“绝对同时”没有什么物理意义，也丧失了理论依据。　　所有涉及到时间的判断，往往是关于同时事件的判断。因而，同时概念的相对性导致时间概念的相对性，这是逻辑的必然。绝对同时不存在了，那么也不会再有绝对的、对所有参考系全都适用的相同时间。从而，每一参考系都有它自身的时间，即它的“参考系时间”。正如爱因斯坦后来发现的那样，整个问题的关键在于虚空的空间中光速是恒定的。假使承认这一恒定性（这点已被迈刻尔逊实验所证实），时间相对性就是不可避免的。　　爱因斯坦的时间学说是崭新的，在他以前还没有一位物理学家或哲学家这样彻底地研究过同时性，并且得出这样深刻的结论。马赫要求，把物理学中无法由经验验证的荒唐的因素全部加以取缔。马赫的这一要求，导致爱因斯坦取缔牛顿“绝对时间”概念的想法。　　由于时间和运动是彼此密切相连的，像马克思就说过，时间是“运动在量值方面的表现”。所以时间概念的相对论化，使“绝对运动”概念也失去了立足之地。一个物体或一参考系的运动，只有在与另一物体或参考系相比较而存在，并在其对比中数值也是适宜的。不存在什么“绝对运动”。爱因斯坦的“狭义相对论”认为，在相互作直线——非加速运动的所有参考系中，自然规律是同样有效。在它们之间，时间和空间值可以用“洛仑兹变换”这一特别的等式进行换算。　　1905年，爱因斯坦提出了相对论，他把作为光波载体的以太，从物理学世界中清除出去了。爱因斯坦认为，光以太原本只是物理学界的一个“幽灵”，他把独立的物理实体——电磁场请出来，坐在以太的位置上，这也是崭新的、勇敢的行动。尽管法国物理学家彭加勒在他之前就曾提过应该抛弃以太假说，但是他没能把这种动议变成新的自然观的基底。　　“无以太物理学”乃是爱因斯坦思想的成果。　　爱因斯坦在光的学说中引起的革命性进展，这种物理学中不存在以太的观点，即使当时著名的物理学家也长时间接受不了。就连洛仑兹，这位在狭义相对论酝酿阶段起过重要作用的科学家，直到1928年，还表示对光学现象没有以太作载体不完全理解。　　如今，先以太假说也像燃素学说中所谓在燃烧过程中从物质里跑掉、名曰“火气”的东西一样，已经成为科学的史迹。它又像其他的科学假说那样，在特定的时期内为研究工作服务，一旦完成使命，即被送进科学谬误博物馆里去了。　　抛弃光以太假说是一桩天才的破坏之作。在爱因斯坦取得的成就中，首先的建设工作是引进一个定律，即用C表示恒定的真空光速，把它纳入各种自然常数之列，运用到物理学的基本规律中去。

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