青年爱因斯坦，原来是受了他们启发

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青年爱因斯坦，原来是受了他们启发

来源：北京大学出版社

作者：小北

在科学史上，爱因斯坦以其卓越的成就被誉为现代物理学的奠基者之一。然而，和我们印象中的“天才”形象不太一样，青年爱因斯坦成绩平平，表现出对传统教育体系的不满，不受老师和同学的喜爱，日常生活中他不修边幅，显得与众不同……


1893 年，14 岁的爱因斯坦。

但正是这样一位有些“叛逆”的青年，表现出了独立思考及质疑传统的特质，这使得他能够挑战当时主流物理学的传统观点，并提出了全新的理论，改变了人类对时间、空间的理解。

1905 年被称为爱因斯坦的“奇迹年”，年仅 26 岁的他在这一年内发表了四篇革命性的论文，其中包括提出光电效应理论、解释布朗运动、建立狭义相对论，以及提出质能公式 E=mc^2 。


青年爱因斯坦，约摄于 1904 年左右。

爱因斯坦喜欢自学和独立思考，他的成就离不开对已有成果的创新和整合。为此，提起相对论只知道爱因斯坦是远远不够的！

独具慧眼的物理学大师索末菲，曾精心遴选了物理学史上这些光辉的原始文献，再现了创立相对论的生动过程。

小北的科学元典丛书近日新添了这本索末菲主编的《相对论原理》，让我们有机会一同探寻这一伟大科学突破的来龙去脉。

质疑绝对时空观念，他是“创建相对论的先驱”

19 世纪中后期，越来越多的人怀疑绝对时空观。物理学家马赫（E. Mach，1838—1916）便是其中之一。

马赫对物理学的直接贡献并不大，也就是做了如提出“马赫数”概念等三流水平的工作。但他有一点很了不起，他敢说“祖师爷”不对，敢于否定牛顿的一些重要思想。


恩斯特·马赫（1838—1916），奥地利物理学家和哲学家，提出了“马赫数”并质疑牛顿的绝对时空观，对相对论和科学哲学产生了重要影响。

他认为凡是看不见、摸不着的东西，都不应该承认其存在。牛顿说的“绝对空间”谁见过？谁感知过？没有人见过、感知过，所以根本不存在绝对空间，一切运动都是相对的，应该坚持相对性原理。“以太”谁见过、摸过？谁也没有见过、摸过，所以“以太”也不存在。

爱因斯坦觉得马赫说得太对了，根本就不存在绝对空间，也不存在以太，应该坚持相对性原理。所以，爱因斯坦一开始思考光行差现象和菲佐实验的矛盾时，就少走了不少弯路。他坚信相对性原理应该坚持，应该推广。

爱因斯坦在学生时代就阅读过这部作品并深受其影响。爱因斯坦称马赫为“创建相对论的先驱”。遗憾的是，狭义相对论提出后，却没有得到马赫的支持。

光速是恒定的吗？他启发了爱因斯坦的光速不变原理

在经典物理学中，物体的速度通常相对参照物而变化，但麦克斯韦方程揭示了光速不依赖于光源或观测者的运动状态。这一特性与当时的牛顿力学观念不符。

牛顿力学认为，速度的叠加原则应该适用于任何运动物体，然而，光速的恒定挑战了这种传统的速度叠加观念。

爱因斯坦在思考这些矛盾时，尤其关注麦克斯韦方程的这种恒定性，他认为无论观察者如何运动，光速应始终不变。


麦克斯韦（1831—1879），苏格兰物理学家，创立了电磁场理论，统一了电与磁，并预言光是一种电磁波。爱因斯坦本人盛赞了麦克斯韦，称其对物理学做出了“自牛顿时代以来最深刻、最有成效的变革”。

在 1905 年提出狭义相对论时，爱因斯坦大胆提出了光速不变原理——光速在任何惯性参考系中均保持不变，这是狭义相对论的核心假设之一。这一理论打破了牛顿时空观念，重新定义了时间和空间的关系。

认为真空中光速不变光速不变原理也和他有关

法国数学家、物理学家庞加莱（H.Poincaré，1854—1912）也是创建相对论的先驱之一。他否认绝对空间的存在，坚持相对性原理，认为真空中光速不变，并建议通过光速来校准不同地点的钟，使它们同时、同步。后来爱因斯坦发展了庞加莱的想法，提出光速不变原理，并参考庞加莱的方法定义了“同时”。


庞加莱（1854—1912），法国数学家和物理学家，被誉为“最后一位全才”。

洛伦兹、庞加莱等人因固守“以太说”，成了“预示了相对论又没有创立相对论的人”。只有爱因斯坦最终完全打通了建立狭义相对论的道路。

狭义相对论问世后，洛伦兹和庞加莱并没有立即给予支持。洛伦兹最初反对相对论，后来才慢慢承认其正确性。庞加莱至死都没有承认相对论正确。


图为 1911 年召开的第一届索尔维会议的照片，洛伦兹（坐者左四）、庞加莱（坐者右一）、爱因斯坦（站者右二）、普朗克（站者左二）、居里夫人（坐者右二）等人都在其中。这是爱因斯坦和庞加莱的唯一一次见面，不久后庞加莱就去世了。

令人费解的“四维时空”最终成为广义相对论的核心

闵可夫斯基是爱因斯坦大学时代的数学老师。相对论发表之后，闵可夫斯基对爱因斯坦的工作从数学角度进行了深入研究。


赫尔曼·闵可夫斯基（1864—1909），德国数学家，提出了四维时空概念，奠定了广义相对论的基础。他的理论对现代物理学影响深远。

他认为，从相对论的角度看，时间和空间不再是分离的，应该把时间和空间看作一个整体——四维时空（时间被看作第四维的空间）；能量和动量也不再是分离的，应该把它们看作一个整体——四维动量（能量被看作第四维的动量）。

他把四维时空中的每一个点称为一个“世界点”，全体世界点构成“世界”，也就是四维时空。一个点的运动会在四维时空（世界）中描出一条曲线，他称之为“世界线”。

闵可夫斯基的“四维时空”概念，超出了爱因斯坦当时的思维。在闵可夫斯基思想的影响下，爱因斯坦开始从更高的角度审视、理解自己的相对论，从而为广义相对论的创建作了初步准备。

科学元典 2024 年 10 月 08 日 20:57 安徽