【正文】 活動中所取得的最后一個重大成果。 3 月他回歐洲后避居比利時， 10 月轉(zhuǎn)到美國普林斯頓，任新建的高研究院教授，直至 1945 年退休。 1939 年他獲悉鈾核變及其鏈式反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，在匈牙利物理學(xué)家 ，上書羅斯?？偨y(tǒng)，建議研制原子彈，以防德國占先。戰(zhàn)后，為開展反對核戰(zhàn)爭的和平運動和反對美國國內(nèi)法西斯危險，進行了不懈的斗爭。 愛因斯坦曾經(jīng)說過： “在四位近代物理學(xué)創(chuàng)立者的基礎(chǔ)上我得以建立自己的理論 ”。 2. 相對論前史 伽利略變換 從本質(zhì)上來看，狹義相對論仍然屬于經(jīng)典的物理學(xué)，因為實際上牛頓力學(xué)本身 在邏輯上還有一些漏洞，特別是與電磁學(xué)還不能相容。 伽利略變換 經(jīng)典力學(xué)時空觀 首先我們必須了解所謂伽利略相對性原理在牛頓力學(xué)里所具有的根本重要性。 牛頓第一定律（慣性定律）說“ 一個物體，假如沒有外力改變它的狀態(tài)，便會永遠保持靜止的狀態(tài)或勻速直線運動的狀態(tài)。 但是我們在實際中無法判斷絕對時空。這也就是 4 說，或者我們能夠找到所有的慣性參考系，包括絕對時空；或者我們找不到任何的一個慣性參考系，當 然也包括絕對時空。這個原理的直觀說法就是：在一個慣性參考系里所觀察到的任何現(xiàn)象，所得到的任何物理規(guī)律，在另外的任何一個參考系里都必定是以同樣的形式被觀察到，反過來也就是說，不存在任何一個物理實驗，可以使得我們能夠分辨出我們所處的慣性參考系與別的慣性參考系的區(qū)別。這一點在牛頓力學(xué)里只需要引入伽利略變換就可以作到。從伽利略變換當然能夠得到我們所需要的結(jié)論，就是我們無法測量絕對速度，而只能測量絕對加速度。注意 這個變換的特征就是使得在不同的慣性參考系里，運動方程的形式變換總是能夠保證時間間隔，空間長度的不變性質(zhì)。 可以體會到，伽利略相對性原理實際上否定了特定的具有一定優(yōu)越性的絕對時空的存在性。 按照伽利略的相對性原理，物理規(guī)律在一切慣性系中都相同。但是，慣性系之間可以有相對速度 v。而未對它們之間的相對速度做任何限制。測量，這束光的速度還會是 c 嗎？ 這就是說，麥克斯韋電磁規(guī)律在不同的慣性系中不一樣，相對性原理不再成立。麥克斯韋方程組只對“以太靜止”系成立。這就是說，麥克斯韋電磁理論只在相對絕對空間靜止的參考系中才成立。 當時人們普遍認為伽利略變換是相對性原理的數(shù)學(xué)體現(xiàn)，堅持相對性原理，就應(yīng)該堅持伽利略變換，堅持前者而放棄后者是難以相像的。 以當時電磁學(xué)權(quán)威洛倫茲為代表的一批理學(xué)家，主張放棄相對性原理，保留麥克斯韋理論。 電磁理論與相對性原理的矛盾也在光學(xué)實驗和光速測量中表現(xiàn)出來，既然光是以太波動，以太相對于絕對 空間靜止，那么以太會不會被介質(zhì)帶動呢？例如，地球繞太陽轉(zhuǎn)動，它不可能相對于絕對空間靜止，那么，運動的地球會否帶動周圍的以太呢？我們知道，水中的運動物體有時會帶動周圍的水運動，空氣中的運動物體也會在一定程度上帶動空氣運動，所以，在以太中運動的地球，似乎也有可能帶動周圍的以太。光行差現(xiàn)象是天文界早就知道的，已被大量的觀測精確證實。于是，有人想測量地球相對于以太的運動速度，這一速度也就是地球相對于絕對 空間的速度。 邁克遜 莫雷試驗 19 世紀末頁，麥克斯韋把庫倫、安培、法拉第等人長期積累的實驗定律總結(jié)成簡明的方程組，即麥克斯韋方程組。也就是說，電磁波在真空中的傳播速度是恒定的。 自從 1801 年托馬斯 .楊用波理論解釋光的干涉條紋以后，光的波動說終于戰(zhàn)勝微粒說被廣大物理界所接受。 水波的載體是水，聲波的載體是空氣，水波是水的波動，聲波是空氣的震動。亞里士多德認為“月上世界”充滿了輕而透明的以太。光波就是以太的彈性振動。麥克斯韋方程組表明，光波在以太中的傳播速度是一個常數(shù)。用光學(xué)方法應(yīng)該能測得出來。他在 1879 年為《大英百科全書》撰寫的“以太”條目中寫過這樣的內(nèi)容：“如果可以在地面上從光由一站到另一站所經(jīng)過時間測得光速，那么我們就可以比較相反方向所測速度，來確定以太相對于地球的速度?！?即如果假設(shè)太陽相對于以太是靜止的，地球的速度為 v ；與軌道速度方向垂直的光速為 c；與光線 垂直的方向測出的光速 : c177。 麥克斯韋認為難以實現(xiàn)，于是轉(zhuǎn)而尋求一次效應(yīng)，即與 ??????cv成正比的效應(yīng)。 邁克爾遜擅長光學(xué)測量，正好這時他有機會到光學(xué)技術(shù)最為發(fā)達的德國學(xué)習(xí)。 1881 年，邁克爾遜（ ）用他所發(fā)明的一種空前靈敏的儀器 —— 邁克爾遜干涉儀 測量地球相對于以太的運動，沒有發(fā)現(xiàn)這種運動的存在。 其原理如圖，光源 S發(fā)出的光，經(jīng)半透射的 ?45 鍍銀面 M，分成互相垂直的兩束光。兩束光在望遠鏡中發(fā)生干涉。設(shè)光束 2 從 M 經(jīng) M2再回到 M 所需時間為 t2，由于以太正以速度 v 垂直于光路 l2 漂移，根據(jù)速度合成法則可以推得合速度為：22 vc ? ， 所以 t2=22 22 vc l? 。如將整個儀器旋轉(zhuǎn) 90 度，時間差變?yōu)椋?t?? ≈ ???????? ?2212112 cvcl ???????? ?222 12cvcl；時間差的改變導(dǎo)致干涉條紋移動δ = 2221 vcll??；如果 1l = 2l =l ；則δ = ? ?lcv? 22 。干涉條紋移動 個，這在實驗技術(shù)上是可以觀測到的。 1902 年莫雷和助手密勒（ ,18661941）又進行了數(shù)次相同實驗，他 們不斷提高了實驗儀器的精度，并且根據(jù)當時的觀點“可能離開地面數(shù)千公里，地球還會曳引著以太一起運動”。然而實驗結(jié)果比邁克爾遜所做的實驗更接近于零。這就肯定了狹義相對論的正確性。 應(yīng)該指出，從邁克爾遜 — — 莫雷實驗并不能直接得出狹義相對論。但是這個實驗卻以其確鑿的證據(jù)揭示了以太學(xué)說不可克服的矛盾。這是因為，光的波動說在 19 世紀初期復(fù)興之后，法國著名科學(xué)家笛卡爾在 1638 年引入的以太假說也隨之復(fù)興，而以太也因此被認為是傳播光波的載體。然而，邁克爾遜等人做了大量精密的干涉實驗來測量“以太漂移”速度，即地球相對于以太的速度，但是，測量的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是零。原因只可能有兩個，或者地球相對于絕對空間（以太）靜止，或者是地球帶動了自己周圍的以太一起運動。 這樣的結(jié)論給物理學(xué)家們帶來各種各樣的困難。 1895 年愛爾蘭物理學(xué)家菲茲杰拉德和洛倫茲獨立地作出了大膽的假定：運動物體在沿著它的方向縮短了?；谶@個假定，邁克爾遜和莫雷的實驗?zāi)軌虻玫浇忉?，即把以太看做是靜止的、不隨著地球 運動的。洛倫茲在這個假說方面走得更遠，他從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出距離和時間的加法法則。他已經(jīng)很接近于現(xiàn)代狹義相對論。光行差實驗的結(jié)論也是對的，地球相對于以太運動，在以太中穿行。例如，一把長 L0 尺子，如果沿相對以太運動的方向放置，那么，該尺會發(fā)生收縮 長度縮短為 L0。洛B A B A 116 長度收縮 8 倫茲認為，邁克爾遜實驗中，干涉儀器的兩個鏡筒，一個沿地球運動方向，一個沿與地球運動相垂直的方向，前一個鏡筒會發(fā)生收縮，而后一個不會，正是這一收縮改變了光程的長度，抵消了以太漂移的影響，使得儀器轉(zhuǎn) 900 后，干涉條紋不產(chǎn)生移動。這就解釋了邁克爾遜實驗引出的疑難。為了導(dǎo)出這一收縮，洛倫茲把伽利略變換修改為洛倫茲變換，即 y? =y。 根據(jù)伽利略變換，菲茲杰拉德和洛倫茲都發(fā)現(xiàn)，若以存在以參考系為前提，則只要引入這樣一個“收縮假說”，即在以太參考系中一個靜止時長度為 L 的物體，當它以速度 v 相對以太參考系運動時，其長度將收縮變短，這樣就可調(diào)和上述矛盾，從而挽救了經(jīng)典力學(xué)的危機。系相對于 S 系的速度。 洛倫茲變換中的 S 系（ x， y， z， t）是絕對參考系（以太參考系），即相對于絕對空間（以太）靜止的參考系，而 S39。而伽利略變換所表示的是任意兩個慣性系之間的變換， S 系與 S39。 洛倫茲認為，相對性原理不對，電磁規(guī)律并非在任何慣性系中都相同，麥克斯韋電磁理論只對絕對參考系成立。他還認為，洛倫茲收縮是一種物理效應(yīng)，這種收縮導(dǎo)致原子發(fā)生形變，會引起原子內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并改變電荷分布。但是由于洛倫茲是從維護經(jīng)典力學(xué)的立場出發(fā)而推出這一變換關(guān)系的，因此他未能正確理解這一新的數(shù)學(xué)變換關(guān)系的物理涵義。為此，他于 1904 年 9 月在美國作的一次物理學(xué)報告中，即預(yù)言必將有一種全新的動力學(xué)產(chǎn)生。 從 19 世紀 80 年代初到 20 世紀初期的種種物理學(xué)征兆說明，狹義相對論的理論胚胎已經(jīng)在 19 世紀末的物理學(xué)危機中孕育成熟。 其兩條基本公設(shè)是狹義相對性原理和光速不變原理。狹義相對性原理指：在所有的相互作勻速直線運動的坐標系中，自然定律都是相同的。原理 1 完全是愛因斯坦規(guī)定的。 在確認光速不變這一實驗事實的基礎(chǔ)上，愛因斯坦回顧了他在 16 歲時所想的一個思想實驗：“倘使一個人以光速跟著光波跑，那么他就處在一個不隨時間改 變的波場之中。 愛因斯坦不知道洛倫茲的工作，也沒有注意邁克爾遜實驗導(dǎo)致的疑難。相對性原理與伽利略變換并不等價。 愛因斯坦深受奧地利物理學(xué)家馬赫的影響。所以，愛因斯坦認為相對性原理必須堅持。只有伽利略變換，貌似合理，其實并無可靠的實驗依據(jù)。從光速不變原理（即麥克斯韋電磁理論）和相對性原理出發(fā)，他獨立導(dǎo)出了與洛倫茲變換完全相同的變換。愛 因斯坦認為，相對性原理成立，洛倫茲轉(zhuǎn)換是任意兩個慣性系之間的變換， v 是兩個慣性系之間的相對速度，不是相對于絕對空間的絕對速度。但他認為，任何兩個相對以速度 v 運動的慣性系，都會認為靜止于對方系中的尺收縮了。 愛因斯坦把洛倫茲變換作為相對論理論的核心。洛倫茲雖然最早得出了變換表達式，但他對該式的理解是錯誤的。 四個思想實驗 10 愛因斯坦又從四個思想實驗中（以上已有一個思想實驗，即光速極限論，還剩下以下三個）得出了一些基本推論。