愛因斯坦43狹義相對論研究背景和研究目的1905.6.30 　　1905年6月30日，繼收到愛因斯坦5月11日投稿的布朗運動論文《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》後50天，《物理學年鑒》收到了阿爾伯特·愛因斯坦的又一篇論文，題為《論動體的電動力學》，名字對非相關領域人士來說有點古怪，論的意思是討論、探討或試探性的觀點，動體是運動的物體，最費解的是電動力學，按不嚴格的理解，全名應該是電磁動力學，直白點研究的是電磁現象，按學術的說法電動力學研究電磁場的基本屬性、運動規律以及電磁場和帶電物質的相互作用。再具體點，愛因斯坦這篇論文其實主要研究的就是光速引起的各種矛盾問題，畢竟光也屬於電磁波的範疇。按後來公認的說法，這篇論文其實就是狹義相對論。 　　論文《論動體的電動力學》開始部分依然是研究背景介紹和研究目的闡述，在研究背景中，愛因斯坦首先闡述了麥克斯韋電磁理論在應用到運動物體上引起了不對稱，並拿磁生電和電生磁為例具體解說了何為不對稱、不協調，令人不爽的感覺： 　　“大家知道，麥克斯韋電動力學像現在通常為人們所理解的那樣應用到運動的物體上時，就要引起一些不對稱，而這種不對稱似乎不是現象所固有的。比如設想一個磁體同一個導體之間的電動力的相互作用。在這裡，可觀察到的現象隻同導體和磁體的相對運動有關，可是按照通常的看法，這兩個物體之中，究竟是這個在運動，還是那個在運動，卻是截然不同的兩回事。如果是磁體在運動，導體靜止著，那麼在磁體附近就會出現一個具有一定能量的電場，它在導體各部分所在的地方產生一股電流。但是如果磁體是靜止的，而導體在運動，那麼磁體附近就沒有電場，可是在導體中卻有一電動勢，這種電動勢本身雖然並不相當於能量，但是它——假定這裡所考慮的兩種情況中的相對運動是相等的——卻會引起電流，這種電流的大小和路線都同前一情況中由電力所產生的一樣。” 　　其實對愛因斯坦在此論述的這種不對稱、不協調，令人不爽，有些經典物理學的擁護者並不覺得有問題，這種令人不爽的感覺是愛因斯坦的直覺，也是他的偏愛，接著，愛因斯坦又簡單提及了測定地球相對於以太運動的實驗，並就此推廣了伽利略相對性原理，不僅力學實驗無法區分慣性係（注：勻速直線運動或靜止參照係），就是電磁實驗等一切物理實驗都無法區分慣性係，也就是說沒有特殊地位的慣性係（比如以太），大家都一樣，物理定律對所有慣性係形式都一樣：“諸如此類的例子，以及企圖證實地球相對於‘光媒質’運動的實驗的失敗（注：最著名的邁克爾遜－莫雷實驗），引起了這樣一種猜想：絕對靜止的概念，不僅在力學中，而且在電動力學中也不符合現象的特性，倒是應當認為，凡是對力學方程適用的一切坐標係，對於上述電動力學和光學的定律也一樣適用，對於第一階微量來說，這是已經證明了的（注：洛倫茲1895年論文）。” 　　推廣伽利略相對性原理範圍，誌向很大，屬於豪情壯語，大家都可以發，至於推廣後解決矛盾的韜略那就看各人的本事了，愛因斯坦解決相對性原理範圍擴大後出現矛盾的方法是提出了光速不變原理，並將物理定律對所有慣性係形式都一樣和光速不變列為了自己理論創作的兩條公設：“我們要把這個猜想(它的內容以後就稱之為‘相對性原理’)提升為公設，並且還要引進另一條在表麵上看來同它不相容的公設：光在空虛空間裡總是以一確定的速度V傳播著（注：論文中光速為大寫V，不是後來慣用的c），這速度同發射體的運動狀態無關。” 　　光速不變的提出一個是愛因斯坦的直覺，最著名的說法是10年前1895年秋，愛因斯坦尚在阿勞州立中學補齊中學學業時暢想的追光實驗：“在阿勞的那一年，我想到了下麵這個問題：如果一個人以光速追趕一束光，他將看到麵前呈現出一個不隨時間而變的波場。然而，這樣的東西看來是不可能存在的！這是跟狹義相對論有關的第一個幼稚的思想實驗。” 　　光速不變科學上的依據是麥克斯韋方程組導出的光速公式： c=1/√（μ0ε0），其中μ0為自由空間磁導率，ε0為自由空間介電常數，c為電磁波速也就是光速。公式說明光速與參照係無關，隻與自由空間磁導率和自由空間介電常數有關，當然，當年的大多數物理學家都給光速加了個絕對參照係——以太，麥克斯韋方程組導出的光速數值是相對於絕對參照係以太來說的。 　　光速不變實驗上的依據便是以邁克爾遜－莫雷實驗為代表的各種測量地球相對於光媒質（以太）運動的實驗結果為零，愛因斯坦做蘇黎世聯邦理工學院的畢業論文時也曾設計過類似的實驗。 　　提出兩條公設後，愛因斯坦論述了自己在論文中將要做的事：“由這兩條公設根據靜體的麥克斯韋理論，就足以得到一個簡單而又不自相矛盾的動體電動力 　　學。‘光以太’的引入將被證明是多餘的，因為按照這裡所要闡明的見解，既不需要引進一個具有特殊性質的‘絕對靜止的空間’，也不需要給發生電磁過程的空虛空間中的每個點規定一個速度矢量。” 　　愛因斯坦說的畢竟學術和謹慎，用大白話說，甚至有些不知天高地厚的說，既然光速不變，找書苑 www.zhaoshuｙuan.com 對任何慣性係都一樣，那不同慣性係量度的空間中的長寬高和時間就得變，即堅持光速不變和物理定律對慣性參照係形式不變，導致的必然結果就是對不同慣性係來說，空間尺度和時間量度不得不改變，其實這就是相對論最終論證的結果，有些石破天驚，甚至有些天馬行空，在沒有實驗數據證明它的結論正確之前，你甚至可以說它是胡說八道，因為它為了光速不變，而提出空間和時間都要變。即使現代人想來這也有些匪夷所思，因此，在沒有微觀粒子高速運動和宏觀天文學觀測數據支持的前提下，相對論理論結論的可靠性確實不太好說。多說一點，狹義相對論以光速不變為理論根基，並不是說離了光速不行，而是光速的不變性其實提示了人類空間和時間的可變性才是原本的客觀實在，空間和時間的絕對不變性是人的錯覺和錯誤理解。也就是說人們不過是通過光速的不變性察覺到了空間和時間原本的可變性。 　　論述完研究背景和研究目的後，愛因斯坦在最後提出了研究條件設定：“這裡所要闡明的理論像其他各種電動力學一樣——是以剛體的運動學為根據的，因為任何這種理論所講的，都是關於剛體(坐標係)、時鐘和電磁過程之間的關係。對這種情況考慮不足，就是動體電動力學目前所必須克服的那些困難的根源。” 　　最後一句話的意思是“剛體(坐標係)、時鐘和電磁過程之間的關係”就是本文要解決的主要問題，此前的動體電動力學困難的根源就是沒有正確處理“坐標係、時鐘和電磁過程之間的關係。”