20世纪初，物理学的殿堂里奏响了一支新的神曲，启迪了人们的心智，引导着人们走进了一个新的世界。——“双生悖论”随笔之六

 

“双生悖论”与神奇的光速相关，与爱因斯坦创建的相对论直接相关，“双生悖论”就是人们从这个理论中制造出来的一个“佯谬”。因此阐明“双生悖论”，就要重点介绍一下这个理论。

这个理论源自1905年爱因斯坦的一篇论文。这无疑是一篇人类文明史中的重要杰作。

一、是什么样的杰作

物理奇迹年 1905

这篇杰作的题目是：《论动体的电动力学》，刊于1905年《物理学年鉴》第17卷第891—921页。这在当时是一本声望很高的物理学权威杂志。

1905年，是科学史上值得记载的一年，是物理学史上的一个伟大的年份。因为在这一年里，一位瑞士伯尔尼专利局的26岁的青年爱因斯坦，在德国《物理学年鉴》上发表了5篇论文，其中三篇每篇都有划时代的成就。第一篇是解释光电效应的论文，提出光子说，论文获得了1921年的诺贝尔物理奖；第二篇是关于布朗运动的，通过统计的分析，间接地证明了分子、原子的存在；第三篇就是《论动体的电动力学》，由此“狭义相对论”就问世了。后世的科学史家评论说，爱因斯坦在1905年完成的这些论文，哪一篇都能拿一个诺贝尔物理奖。

这一年，爱因斯坦在科学史上创造了一个无先例的奇迹。正因为这个原因，2004年6月10日，联合国第58次大会决定2005年为“国际物理年”。这是在所有已发生的与物理事件相关的活动中，首次设立这种世界范围内的大型纪念活动。

在1905年的这些论文中，具有最大价值就是第三篇关于狭义相对论的论文。然而，这篇论文在诞生之初并未受到物理界的太多关注，原因在于这篇论文只有一个作者，也没有什么参考文献，看上去不像一篇标准形式的物理学论文。

在此文中，作者花费大量的篇幅进行“同时性”的论证，这在当时许多物理学家的眼里是一个纯哲学的问题，与物理学似乎没有太大的关系。后来，人们才逐渐地认识到由这篇论文建立起来的理论，是20世纪物理学最重要的成就之一。

论文阐述了物体在接近光速运动的情况下，会出现的一些令人费解的现象；指出了任何物理定律对于一切惯性参考系都是等价的；光速对于一切惯性系都有一样的值。从根本上改变了人们头脑中传统的时间、空间观念，揭示了时间与空间的内在联系，指出了质量和能量的内在联系。

这些内容，开创了物理学的一个新时代。

杰作，虽然是杰出者的智力创作，然而，也是那个时代给予了创作者的机遇。

二、时代提出的问卷

一篇划时代的科学杰作的出现，有时是在那个时代某个学科遭遇了危机，出现了大的难题，若有人解决了这道难题，就是完成了一篇杰作。

19-20世纪之交的物理学，遇到了困境，出现了几个难题。许多资深的物理学家为解决这些难题紧张地工作着。其中有一道难题，是一位青年英才脱颖而出，超越了一群人，用崭新的观念和简单的方法解决了这道难题，改变在此问题上的混乱局面。这种一匡天下壮举，肯定是一个精彩的故事。

物理学发展到19世纪未，处于一种完美与危机并存的特殊历史时期。

一方面，经典物理学（牛顿力学、热力学和统计物理、麦克斯韦的电磁理论）已趋于完善。

英国和法国的两位年轻科学家用牛顿理论，通过计算，预言了海王星准确出现的日期和在天空的方位；也是用牛顿理论中的一些重要概念和思想发展起来的麦克斯韦电磁理论，成功地解释了当时波动光学中的各种问题。光学、电磁学与力学在理论上的统一使物理学呈现了一种形式上的完美，被人誉为是一幢庄严雄伟的建筑，是一座美轮美奂的殿堂。

著名物理学家电子的发现者J·J·汤姆逊说，“一切现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建立在这条公理之上。”那时，经典力学已经发展到了相当成熟的水平，好像自然界出现的现象都可以通过经典力学予以解释，给人们造成一种错觉是物理学已不需要去建立新的理论，只需要去解决新的问题，物理学已是一门完成了的学科。

另一方面，物理学也隐含着危机。

1900年4月27日，在伦敦大不列颠皇家研究所的星期五晚间演讲会上，英国著名物理学家开尔文勋爵（原名威廉·汤姆孙，热力学的奠基人之一，1892年被授予开尔文勋爵的称号。在《麦克斯韦妖的随笔》中，多次提到了这位物理学家），作了题为《热和光的动力学理论上空的19世纪之乌云》的长篇讲演，为雾都伦敦上空增添了两朵乌云。

第一朵乌云指的就是光在传播中出现的疑团。

声音的传播是靠空气、水、铁轨等媒质的振动来实现的，由牛顿理论就可以很好地阐明这种机械波传播的性质和机理。因此，当时的物理学家就相信，光也一定是在一种媒质中传播的。

法国大哲学家笛卡尔借用希腊词“以太”，提出了宇宙空间充满着“以太”这样一种介质。物理界也普遍地认为，光或电磁波就是依靠“以太”这种介质的振动传播的。麦克斯韦建立了电磁理论，这位电磁理论的最大权威就相信光是靠以太传播的。他在为1878年版的《不列颠百科全书》撰写了一个词条中就写到“整个空间到处迷漫着以太。”

根据麦克斯韦方程给出的结论，光是电磁波，是一种横波，其传播速度是C。人们很自然地就会出现以下一连串的看法：光既然是在以太中的传播，其波速一定是相对于与以太相联的参考系的；以太就是在宇宙中的一个静止参照物，与以太固定的参考系就是一个绝对静止的参考系；光速就是相对于这个参考系的速度为C。

一辆车在无风的情况下往前开，车上的人会感到有扑面的风，若把地球比作这辆车，在以太中向前开，地球上的观测者也同样会感到有扑面的风，当然这就是“以太风”；如果一艘船在静水中航行，由于运动的相对性，如果把船看作不动，船上的观察者就会看到是水相对于船的飘移，若把船比作地球，水是以太，同样地球上的观测者就会看到“以太的飘移”。

如果以太是存在的，就一定可以测得以太相对于地球的“风速”或“飘移的速度”，确定这种速度，成为当时物理学家关注的一个重要课题。

上篇文章已经讨论了由于光在以太中运动，则在地球参考系中的观测者一定会测得光速应当在（C±V）范围内的一个值。迈克尔逊-莫雷实验的“零结果”，否定了地球相对于以太的运动，没有像空气那样的“以太风”，也没有像水那样的“以太飘移”，这是为什么呢？这个“零结果”，就是物理世界上空的一朵乌云，也是那个时代提出的一道难题。

为了更好地理解当时的物理学家对“零结果”提交的答卷，我们有必要把物理界在回答这个问题之前存在的主要的观念清理一下，这样就会比较容易理解，他们为什么是提交了这样的答卷。

首先，相信以太存在。

当时的物理界较为统一的看法是，力学理论已形成的自然观，可以统一电磁学的自然观，声音靠空气等媒质传播，光或电磁波一定也是靠以太这样的媒质传播的，没有媒质传播的波动是无法理解的。

其次，麦克斯韦方程与光速C都是相对于以太参考系的。

麦克斯韦方程是电磁运动的规律总结，方程中出现了光速C，是电磁运动规律的直接结果，二者之间有一种直接、一致的相关性：在方程能成立的区域，光速一定是C；光速发生了变化的地方，方程也就不能成立；光依靠以太传播，其速度为C，方程也只能在以太这个绝对静止的参考系中才能成立。

再其次，伽利略的相对性原理不能包括电磁运动的规律。

伽利略的速度变换公式不会有错，这是无数的实验以及人们的经验证明了的。

地球相对于以太有速度V的运动，那么地球上的观测者测得的光速就不能是C，相应地麦克斯韦方程在地球参考系中也不能成立，力学规律在不同惯性系中形式不变的伽利略相对性原理，不应当包括电磁学的规律。

当时有代表性的几位物理学家，就是把以上的观念作为回答难题的知识储备。这就像一个学生在考前所作的种种准备，来作为答卷的依据。

三、几份有缺陷的答卷

第一份答卷是迈克尔逊提出的所谓的“以太曳引”的假说。

如果地球相对于以太没有运动，那么地球上测得的光速（C±V）中的V为零，测得的光速只能是C。这就自然解释了“零结果”。然而，地球绕太阳运动着，以太是静止的，它们之间为什么会没有相对运动呢？

这个假说这样回答：以太有一种特性，它会粘附在各种有质量的物体上，当物体运动时，会拖引着附着在上面的以太一起运动。因此地球在运动的过程中，就曳引着以太一起运动，这样地球与以太之间就不存在相对运动，自然就有了迈克尔逊-莫雷实验的“零结果”。始终不愿放弃以太的迈克尔逊就是以这种理论来解释他的实验结果的。

这一假说保留了以太的存在，光速在以太中是C，在地球上测量也是C，这说明无论在以太中或在地球上麦克斯韦方程也能成立，伽利略的速度变换公式也不用修正，这一假说用了一个简单的“曳引”模型，似乎把矛盾都解决了。看起来，这个假说还真有点儿道理。

但是，这一假说被可靠的实验所否定。

前一篇文章中我们介绍了用光行差测定光速的实验。文中说“由于地球绕太阳公转方位的周期变化，你将会观察到某个天顶发光的星体在天穹位置发生的变化：有时在你的这一边，有时在你的那一边。这就是‘光行差’现象。”

利用这一现象测得的光速与其他实验测得的光速非常接近，说明了这一“观测”的可靠性。然而，按照“曳引”假说，以太相对于地球是静止的，相当于你在雨天骑车时，空气被你的车拖拉着一起运动，你看到的雨滴仍然是垂直下落的，不会你向西行，雨线从西边来；你向东行，雨线从东边来。同理，观察天顶星光的望远镜，因为地球与以太相对静止，观察到的星光不会有周期性的偏离，不会出现α倾角，望远镜只要竖直向上观望就可以了，但事实不是如此，周期性的偏离总在发生，观测的望远镜总有偏角。

这就证明了不能用以太曳引假说去阐明迈克尔逊实验的“零结果”。

第二份答卷是“洛伦兹-裴兹杰拉德”的假说。

1892年，爱尔兰物理学家裴兹杰拉德，提出了“收缩假说”，其后荷兰物理学家洛伦兹也提出了这样的假说，来解释实验的“零结果”。后来，人们称之为“洛伦兹-裴兹杰拉德”的假说

他们认为以太是一定存在的，只是物体在以太中运动时，在运动方向上的长度会发生收缩，正是这种收缩，使得地球上的观测者不会测量到以太相对于地球的飘移。如果收缩的因子是√1－V^2/C^2，便可以得出干涉条纹的移动量为零的结果。

洛伦兹从物质的结构上来解释长度的收缩，他认为这种收缩是由物体内部的分子力引起的，他假定分子力像电力和磁力一样要通过以太来传递，而物体的平移运动就会影响分子力，从而使物体沿运动方向的长度发生了变化。

1895年，洛伦兹又发表了长篇论文，在这篇论文中，除了长度收缩假设外，又引入了另一个关于时间的变换，就是地球系统的时间t’与以太系统的时间t之间的变换关系，作为一种辅助的数学手段，他把t’称作局部时，称t为绝对时。

洛伦兹通过这种变换，从数学上解释了实验的“零结果”，而且麦克斯韦方程的形式也可以在地球、以太两个参考系中保持形式不变，光速当然也就不变。

洛伦兹为此工作了10几个年头，写下了一组不同参考系中空间与时间的坐标变换方程，这些变换竟然是爱因斯坦建立的狭义相对论的核心公式，但这些变换不是从一个更加普适的原理中得到的，除了有多处假设，还引入了没有任何物理意义的局部时，理论显得烦琐，与爱因斯坦的工作相比较，就失去了光彩。

第三份是彭加勒提交的答卷。

法国大数学家彭加勒，他思辨性地提出了自己精辟的看法。

1895年，他首次提出了反对绝对运动的提法，他说：“从各种经验事实得出来的结论能够概括为下述断言：要证明物体的绝对运动，或者更确切地说要证明物体相对于以太的运动是不可能的。”

1898年，他第一个提出了有必要假设光速对所有的惯性系中观察者都是常数，并且指出：“没有这个假设，就无法测量光速。”

在1904年9月24日，在美国圣路易斯城举行的科学和艺术会议上彭加勒在一次演讲中说，以太相当于是一个惯性系，不管用任何实验方法都不可能探测到我们相对于以太这个惯性系的运动。他在这次演讲中，首次使用“相对性原理”这一词，他说：“……物理现象的定律对于一个固定的观察者，或者对于一个相对于它作匀速运动的观察者而言，必然是相同的：因此，我们没有，也不可能有任何手段来鉴别我们是否是被这个运动携带着走。”这种陈述与在爱因斯坦论文中的相关表述的内容已经相当接近了。

在这次讲话中，彭加勒还敏锐地预感到一种新的力学即将出现。他断言：“也许我们应该建立一门新的力学，对这门力学现在还只能窥见它的一鳞半爪，在这门力学中，惯性随着速度增加，光速将成为一种不可逾越的界限。”彭加勒提出了相对性原理，光速是一个常数，是速度的极限，惯性随速度增大等多个精辟的看法。

由此可见，彭加勒在爱因斯坦之前已经提出了类似于狭义相对论的主要的内容。然而，彭加勒总是在以太的帷幕下做文章，与爱因斯坦的阐述相比，仍然有高低之别。

有趣的是数学家彭加勒提出了与爱因斯坦相类似的两个物理学的基本假设；物理学家洛伦兹却提出了与爱因斯坦理论样子一样的数学表达式。他们是从各自专业知识错位的路上，渐渐地走近了狭义相对论的大门。

爱因斯坦对于前辈和同时代人的工作是肯定的。爱因斯坦对洛伦兹的贡献作了高度评价。1907年，他说：“狭义相对论是洛伦兹理论与相对性原理的结合。”英费尔德在他写的《相对论的发展史》中叙述了他与爱因斯坦在普林斯顿的一次谈话：“我对爱因斯坦说：‘在我看来，即便你没有建立它，狭义相对论的出现也不会再等多久，因为彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了’。爱因斯坦回答道：‘是的，这说得对’。”

四、一份最完美的答卷

 

历史已经证明，是爱因斯坦提交了一份最完美的答卷。

他提交的这份答卷就是他在1905年发表的《论动体的电动力学》的论文。我们可以从这篇文章中，看到他是如何解答这个难题的。

在《论动体的电动力学》一文中，爱因斯坦写道：

“企图证实地球相对于以太运动的失败，引起了这样一种猜想：……没有任何已观察到的事实特征符合于绝对静止的概念，倒是应当认为，对力学方程适用的所有坐标系，相应的电动力学和光学方程也一样适用……，下面我们用了这个公设（以后称为相对性原理），同时引出另一个公设——一个初看起来与上一个假设不相容的公设——光在真空中以速度C传播，其值与发光物体的运动性质无关。这两个公设完全可以在静止物体的麦克斯韦理论基础上导出运动物体电动力学的简单而又一致的理论，而麦克斯韦电动力学理论是基于静止物体而建立的。所谓‘光以太’的引入将被证明是多余的，因为这儿展开的论点不需要具有特殊性质的‘绝对静止空间’，……”

从此文可以看到，爱因斯坦认为运动都是相对的，没有“绝对静止”的概念，也没有绝对静止的空间。以太是一个多余的、子虚乌有的东西。以太没有了，就没有了地球相对于以太的运动，显然也就没有了干涉条纹的移动，“零结果”是实验的必然结果。这就简洁、轻松地回答了时代给出的这道难题。

如果没有了以太，地球上测得的光速为C，这就表明麦克斯韦方程在地球这个惯性系中也是成立的。因此文中提出了两个重要公设，这是狭义相对论的灵魂，我们有必要对此做一些分析。

这两个公设通常称作两个原理。这是建立狭义相对论的基础。

第一个称作“相对性原理”，即物理定律在所有的惯性系中的表述形式是相同的，不存在一种特殊的惯性系；第二个称作“光速不变原理”，即在所有的惯性系内，真空中的光速具有相同的值C。

原理1超越了只处理力学定律的伽利略的相对性原理（简称力学的相对性原理）。从爱因斯坦论文看，是把这个原理扩充到电动力学与光学范围，事实上可以拓展到所有的物理定律。

这个原理一方面说明了物理定律在所有惯性系中表述的形式是一样的；另一方面，也说明不可能借助任何物理的实验去识别这个惯性系究竟是静止还是作匀速运动，或者更确切地说，在一个惯性系内做的任何种类的物理实验都不能告诉这些实验者所在的这个惯性系在做什么样的运动。

原理2可以看作是与原理1相容的结果。

麦克斯韦方程是在与地球固联的一个静止的参考系系中建立起来的，它揭示了电磁运动的普遍规律，按照原理1，它在不同的惯性系中，具有相同的表述形式。方程中包含电磁波的速度为C，是从属于这个方程的，是这个方程的一部分，方程既然在各惯性系中形式都一样，那波速也就不会随不同的惯性系而发生变化，应当是一个与参考系无关的常数，这可以看作与原理1相容的必然结果。

原理1与原理2反映了自然界中的物质运动规律呈现了相对与绝对的辩证统一。

原理1指出我们描述自然界物体的运动，可以用不同的惯性系。因为不同的惯性系之间有相互运动，因此同一个运动物体在不同的惯性系会有不同的速度。但是，这些不同的惯性系是平权的，不存在一个特殊的、绝对的惯性系，这就是原理1中所说的“相对性”。然而，在无数个不同的惯性系中，表述的物理定律的方程形式上是一样的，这就是原理的“绝对性”。

规律在自然界的存在是客观的，并具有绝对的意义，而采用什么样的惯性系来表述它，却是相对的。这就像黄山上的那棵迎客松，屹立在崇山峻岭的悬崖峭壁上，这是自然界中的一种客观存在，具有绝对的意义；许多摄影家、画家、游人从不同的方位、不同的时间，在自己的作品中表现这种存在，这又是相对的。这种相对包含着绝对，而这种绝对又只能用一种具体的、相对的形式才能表述，这里揭示的就是这种相对与绝对之间的关系。

这篇论文似乎还揭示着一种历史经验。

1905年的论文中，爱因斯坦首先表述了光相对于一切惯性系中的观察者都有相同的速度，是理论的必然结果，是一件很显然的事情。事实上从我们的日常经验出发，光速不变是一件异常古怪也不好理解的事情。迈克尔逊做了大量的实验，却不相信光速会不变，而爱因斯坦并没有做实验，却在一张纸上写出了真理。如此看来，在观察与思考的相互作用中产生的自然科学，进展到某个关键时期，在寻找新的出路时，似乎思考会比观测显得更加重要。

这一理论的成功与其他任何理论一样，只能通过与实验的对照来作检验。这一理论不仅可以解释全部已有的实验事实，而且预言了新的效应，这些新效应又为后来的实验所证实，至今还未曾发现任何一个实验事实与狭义相对论相悖。狭义相对论的两个假设（原理）是理论的基础，可以导出理论的全部内容。狭义相对论内涵丰富，预言正确，其简单性和普遍性显示了理论的一种美。

这显然是一份十分完美的答卷。

五、他是如何写出这张答卷的

写出这张答卷，绝对不是一朝一夕的灵光一现。这里积淀着爱因斯坦十年的深思；这里有“零结果”的影响；这里有从先贤的著作中汲取的灵感。

早在1895年，16岁的爱因斯坦，还在瑞士的阿劳中学读书。他通过自学，已了解麦克斯韦的著作。麦克斯韦方程中的电磁波速度，使他困惑，使他陷入了沉思。

他想，如果麦克斯韦方程中给出的光速，是相对于一个特殊参考系的，那么在另一个参考系中，光速就会发生变化，就会引出一些不可思议的事情。由此他想到了一个追光的假想实验：“如果我以速度C追随一束光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像是在空间里振荡着而停滞不前的电磁波。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情出现。”如果说爱因斯坦的理论从这里的思考开始，那么可以确切地说，是从对光速不变的思考开始的。

麦克斯理论说变化的电场产生磁场，变化的磁场又产生电场。按照伽利略速度变换原理，你赶上了光速，你与电磁波的速度一样，你看到的电磁波不向前传播了，此时电场不能产生磁场，同样磁场也不能生成电场，电磁场将不复存在。

爱因斯坦的直觉告诉自己这是不可能的。但这种直觉也使爱因斯坦处在矛盾之中，如果追上的光线仍然要以光速运动，那光是如何运动的呢？这一定是伽利略的速度变换公式出了问题，难道这个速度变换的公式在高速运动情况下不能成立？

爱因斯坦也谈到了迈克尔逊实验“零结果”对他的影响。

1922年，爱因斯坦在日本京都大学做了著名的演讲《我是怎样创立相对论的》，可以帮助我们追溯一下他所走过的曲折而漫长的求索之路，可以看到“零结果”对他产生的影响。

第一个影响是使他认识到以太是多余的。

爱因斯坦说：“我最早考虑这个问题时，并不怀疑以太的存在，也不怀疑地球穿过以太运动。”甚至他还设想用热电偶做一个实验，比较沿不同方向的两束光线由于速度的不同，会导致放出的热量不同来确定以太的存在。但是当得知迈克尔逊—莫雷实验的“零结果”后，就很快得出结论：“如果我们承认这个‘零结果’的事实，则地球相对于以太的运动的想法就是错的。这是引导我走向狭义相对论的第一步。”爱因斯坦后来则明确地提出“最明显的一条路应该是认为并没有以太这样的东西”。

第二个影响是强化了惯性系中（包括地球）光学实验结果是一样的，或者说光学实验不能检验惯性系（包括地球）是如何运动的。

在追光思想实验中，爱因斯坦的直觉告诉自己，电磁现象在不同的惯性系中是一样的。这就是说，在某惯性系中看到的电磁现象，是不能检测出此惯性系的运动情况的。“零结果”强化了他的这种看法。他说：“我还在学生时代我就在想这个问题了，当时我知道了迈克尔逊的奇怪结果。不久我得出了这个结论：我认识到虽然地球在环绕着太阳运动，但地球的运动不能由任何光学实验检验出来。”

如此看来，他的追光思想实验，已经蕴含着相对性原理，知道了迈克尔逊实验的结果，使他强化了这一看法。

如果去掉以太的假设，电磁学的定律——麦克斯韦方程在各个惯性参考系中又都能成立，那么就能很好地解释光速在各惯性系中是不变的，因为它是与电磁理论规律的一部分。因此只有把力学的相对性原理扩充到电磁学或所有的物理定律，光速不变成为一个必然的结果，一切矛盾也就迎刃而解了。

他接下来要做的工作是找到新的速度变换公式。

这种新的速度变换公式，要使得光速在不同惯性系中不变，也许就能使麦克斯韦方程在不同惯性系中形式不变；或者，反过来，找到在两个匀速运动的惯性系中麦克斯韦方程具有同样的形式（称作协变性），即电磁学规律也服从相对性原理，光速在不同的惯性系中自然就一样了。

爱因斯坦反复地思考着这之间的变换。为解决这个矛盾，他整整用了一年的时间，突破口是对传统时空概念的深入思考。

为了完成新的变换，爱因斯坦撷取了前人著作中的精粹，完成了对时空观的伟大变革。

时空的变革有着深远的历史渊源。正如爱因斯坦所说：“是一条可以追索很多世纪的路线的一种自然发展的问题。”

绝对时空观可以追溯到两千多年前的亚里士多德，而牛顿对于绝对时空的描述且更为形象。空间与万物无关，就像是一个无限巨大的、看不到边际的空空的大箱子，万物都可以装在里面；时间与万物无关，就像是一只钟，均匀流逝的滴答声对万物都一样。

18世纪，英国哲学家休谟提出了时间与空间的量度与物质运动不可分的观点。他的时空观的核心思想是，时空是对可见的、可感知的、可观察的物质对象而言的，即要有物存在，有物的变化存在，才有时空可言——这是人类对于时空观念的一个深刻而精辟的看法。

休谟的时空观对爱因斯坦的思想发展具有明显的直接影响，因为时空与物质运动不可分，而物体的上有的空间，可以用尺子量度；物体运动过程的长短，可以用钟量度。因此爱因斯坦的第一篇关于相对论的论文，就是借助于尺和钟定义了空间和时间。

1880年，奥地利的物理学家马赫在他的著作中对牛顿的绝对时空观进行了分析，他认为时空的量度是与物质的运动分不开的，时空概念是通过经验形成的，是从比较两个事物的大小和变化的快慢中产生的。可是绝对时空没有经验的依据，是无根据的先验概念——这是人类对于时空观念又一个深刻而精辟的看法。

马赫的观点对爱因斯坦有很大的启发，他在《恩思特·马赫》一文中说：“马赫曾经以其历史性的批判著作对我们这一代自然科学家起过巨大的影响”，“马赫卓越地表述了那些当时还没有成为物理学家公共财富的思想。”

经典物理学中，物质的运动与时空是分离的，而爱因斯坦说：“空间-时间未必能被看做是一种可以离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延。因此，‘空虚空间’这个概念就失去了它的意义。”

马赫对牛顿绝对时空观的批判以及休谟的时空观点，为爱因斯坦在潜意识中放弃时间的绝对性（同时的绝对性）概念打下了基础，有了这样一个基础，改造伽利略的变换公式，就可能使得相对性原理扩展到电磁学、直至全部物理定律。

狭义相对论和广义相对论的诞生，提出了一种崭新的时空观念，革新了物理科学中基本概念的框架，提出了一种与我们寻常经验截然不同的新概念。

经过一段深入的思考后，爱因斯坦坚信光速是不变的，从而对伽利略的速度合成变换产生了怀疑。他从前人的哲学著作中吸取了营养，提出了时空观念上的变革。

到1905年春天，光速不变和速度加法定则之间的矛盾，终于得到了解决。爱因斯坦说：“我的解决办法是，分析时间这个概念，时间不能绝对定义，时间与速度之间有不可分割的关系，使用这个新概念，使我第一次完满地解决了整个困难。”

爱因斯坦否定了绝对时空的观念，也找到的新的方程的变换形式。这与先前洛伦兹提出的形式是一样的，由于这样的历史的原因，这种变换方程就称作洛伦兹变换。牛顿运动定律在伽利略变换下是形式不变的，但一定在洛伦兹变换下不是协变的，但在比光速小得多的情况下方程将转化为与伽利略变换相一致的原有的方程形式。这种情况也包括其他的物理定律。

六、为什么是他写出了这部杰作

回眸1905前的这段科学史，建立狭义相对论的条件已经成熟，走到狭义相对论门口的学者中有洛伦兹、彭加勒和爱因斯坦等人，无论是学识的渊博或数学的水准，洛伦兹和彭加勒都要比爱因斯坦强，但为何不是由他们建立狭义相对论，而是由“初出茅庐”年轻的爱因斯坦来建立狭义相对论呢？

这是一个有意思的问题。

爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利局用了大量的时间来读书和研究。在哲学方面，他阅读康德、休谟、马赫等人的著作，吸纳他们对于牛顿时空观的批评和精辟的分析，为自己成功建立新的时空观创造了条件；在物理方面，他阅读伽利略、麦克斯韦、赫兹等人的著作，为建立新理论打下了扎实物理基础。然而，一个人的成功不光是决定于他的勤奋、知识的积淀，还决定于他对这个世界的看法，他的思维模式和采用的方法。

爱因斯坦在少年时代就对哲学有浓厚的兴趣，13岁时读了康德的《纯理性批判》；18岁时，大学二年级读了马赫的《力学及其发展的批判历史概论》，这本书对牛顿力学的时空绝对性的批判，给爱因斯坦深刻的影响。

1902年—1905年，爱因斯坦在伯尔尼结识了索洛文和哈比希特，三个青年组成了“奥林比亚科学院”，他们每晚聚集在一起以极大的兴趣和热情研读了斯宾诺莎、马赫、休谟、亥姆霍兹、彭加勒、黎曼等人的科学和哲学著作，从这些大师们的经典著作中，爱因斯坦吸取了许多人类思想的精华。

斯宾诺莎关于自然统一性的观念对爱因斯坦有深刻影响。他曾经声称：“我信仰斯宾诺莎的那个在事物有秩序的、和谐的存在中显示出来的上帝，而不相信那个与人类的命运和行为有牵累的上帝。”他认为世界为什么有秩序，为什么有规律可循，而且可以用数学方程来表示这些规律，因为这个世界是上帝创造的，上帝是有智慧、有目的，所以上帝创造这个世界都会显示一种和谐与统一，正是从这一原则出发，当爱因斯坦走到某个难题面前时，总会这样想：如果我是上帝，将会怎么做。

如果从哲学的层面来看爱因斯坦的工作。爱因斯坦相信这个世界本质上是和谐、统一的，由于这种信念，使他建立的理论有了下面的特色：一是理论基础的公理化，就简单几条，然后导出全部理论；二是描述这个世界的数学方程其内涵深刻和丰富，但形式简单。

16岁时，爱因斯坦在假想的追光实验中，根据伽利略的速度变换公式，他看到的将是一个静止的波峰或波谷，然而麦克斯韦方程并没有这样的解。这就是说，麦克斯韦方程在一个高速运动的惯性系中将不能成立，电磁学不符合力学的相对性原理，自然界会是这样的吗？他相信这个世界的和谐与统一，正是从这个信念出发，他提出了他的相对性原理。

他在狭义相对论中提出的相对性原理，就是把伽利略的相对性原理，从力学范围扩大到电磁学范围，扩大到整个物理世界；广义相对论的建立，通过引力场与一个加速系统的等效，否定惯性系的特殊优越地位，使得相对性原理进一步扩展为广义相对性原理，使得表示自然规律的数学方程，对于任何参考系而言都应当具有相同的形式。

如果说牛顿是对天地间物体的机械运动找到了一种统一性，那么爱因斯坦是对物质世界呈现的各种运动形式找到了一种统一性。这是为物理学找到了新的统一基础，导致物理学进入了一个新的阶段。

爱因斯坦认为世界是对称的，电磁感应现象是一个线索：当磁铁靠近线圈运动时，静止的线圈中出现感应电动势，可使线圈中出现电流；又当磁体静止，线圈以相同的速度靠近磁体运动时，同样会出现相同感应电动势。这就给人们一个重要启示：电磁感应的基本定律对于与磁体一起运动的观测者或与线圈一起运动的观测者是等价的。这就是说，在不同的惯性参考系中电磁定律表现形式是一样的。爱因斯坦说，……这种对称的电磁感应现象，迫使我必须做出相对性原理的公设，麦克斯韦方程对于不同的惯性系也应有相同的形式。

在《论动体的电动力学》这篇不寻常论文引言的开头就举出了磁体和导体运动的例子：“众所周知，麦克斯韦电动力学——正如通常所理解的——当应用到运动物体时，会导致电磁现象中并非固有的不对称。例如考虑一块磁铁与一个导体的电磁相互作用，这儿可以观察到的现象仅仅取决于该块导体与磁体的相对运动。”

对数学简单性的追求是爱因斯坦创立相对论的目标，他在一次报告中说：“相对论是要从逻辑经济上来改善世纪交错时所存在的物理学基础而产生的。”希腊时代毕达哥拉斯学派所倡导的追求“宇宙的数学和谐”的精神，是西方科学最具支配作用的基因。

马赫在他的著作中强调，在科学中我们必须遵循一种节省思维的原则——建立的模型必须是极其节俭的，要包含尽可能少的参数。这就是“奥卡姆剃刀原理”——“最简单的理论最可能是正确的理论。”

爱因斯坦抛弃了以太，抛弃了绝对运动、绝对时空，这就像剃刀那样，干净利落地剃去了“曳引”和“收缩”等多余的东西。他仅建立少数几条公理化的假设，就架构了整个理论。这就突出了理论上的“数学的和谐”、“逻辑的经济”、“思维的节省”。

在《拉普拉斯妖》的随笔之二中，说到了运动的“光”或“粒子”总会选择“取极小值”的那条路径。这说明上帝在缔造这个宇宙时，就蕴含着“数学上的和谐”、“逻辑上的经济”这样的指导思想，而爱因斯坦总是以“如果我是上帝，我会怎么做”来指导自己的工作，这就使得爱因斯坦更接近上帝的想法，从而比别人更容易找到真理。

纵观爱因斯坦的学术成就，具有三个鲜明的特征。

首先，他是一位真正的独立思考者和自由思想家。

从他的学生时代开始，就没有被他的环境所束缚，无论是教育或宗教，都有自己独特的理解和行为。与爱因斯坦的相关的某个文献中，有这样的记载“爱因斯坦搞的这一切完全依靠他自己，并不与任何科学院有所联系，也基本上没有和他的同行者的前辈相接触。”有充分的证据表明，他也没有读过洛伦兹、彭加勒1904年的两篇论文。

其次，能对他的理论的未来的实验结果做出明确的预言。

他的光电效应论文，9年后由密立根成功地完成检验；对布朗运动进行分析，证明原子存在的论文，4年后由法国科学家佩兰通过实验证明；他的狭义相对论与广义相对论的论文，后来也被大量的实验所证实。众所周知的是1919年他提出了光线经过太阳附近会发生弯曲预言，被伦敦皇家学会爱丁顿等人摄下的日食照片所证实。

第三，他的理论假设的内容最少，解释的现象最多。

与洛伦兹和彭加勒的工作相比较，爱因斯坦理论假设的数目最少，而解释的现象最普遍。洛伦兹用了多个特定的假设：以太的存在，定义了局部时；彭加勒不放弃以太，不放弃牛顿的时空观。爱因斯坦摒弃虚幻的以太，抛弃了那些想象中绝对的东西，从最简单的、最一般的假设出发建立了理论。

爱因斯坦建立的广义相对论方程，被世人誉为《上帝的方程式》，这个方程式在大量文献中的长度通常不会超过4厘米，而它告诉人们许多惊人的结论：引力大处钟走得慢；有物质存在的空间会发生变形；我们的宇宙并不是静止与稳定的；……

爱因斯坦具有洞察大自然的超强的直觉和过人的智慧！

爱因斯坦具有一颗独特的、强大创造力的伟大心灵！