爱因斯坦与相对论 　　关于光的性质,还有很多谜,直到现在也无法用科学解释.光是怎样产生的?在空间如何传播?光怎样从物质出现?光是什么,是物质、振动、还是纯能?颜色是否为光必不可少?对于这许许多多的问题,科学已经作出了部分解释,但归根结底,这些问题尚未解答.不过,20世纪初,在人们了解光、研究光的过程中,带来了物理学的两场革命,这就是相对论和量子论.为建立这两个理论体系,许多科学家都作出了重要贡献,他们都是一些杰出的物理学大师,其中最为突出的是爱因斯坦. 　　爱因斯坦的学生时代 　　艾伯特·爱因斯坦于1879年3月14日在德国小城乌尔姆出生,他的父母都是犹太人.爱因斯坦有一个幸福的童年,他的父亲是位平静、温顺的好心人,爱好文学和数学.他的母亲个性较强,喜爱音乐,并影响了爱因斯坦,爱因斯坦从六岁起学小提琴,从此小提琴成为他的终生伴侣.爱因斯坦的父母对他有着良好的影响和家庭教育,家中弥漫着自由的精神和祥和的气氛. 　　和牛顿一样,爱因斯坦年幼时也未显出智力超群,相反,到了四岁多还不会说话,家里人甚至担心他是个低能儿.六岁时他进入了国民学校,是一个十分沉静的孩子,喜欢玩一些需要耐心和坚韧的游戏,例如用纸片搭房子.1888年进入了中学后,学业也不突出,除了数学很好以外,其他功课都不怎么样,尤其是拉丁文和希腊文,他对古典语言毫无兴趣.当时的德国学校必须接受宗教教育,开始时爱因斯坦非常认真,但当他读了通俗的科学书籍后,认识到宗教里有许多故事是不真实的.12岁时他放弃了对宗教的信仰,并对所有权威和社会环境中的信念产生了怀疑,并发展成一种自由的思想.爱因斯坦发现周围有一个巨大的自然世界,它离开人类独立存在,就象一个永恒的谜.他看到,许多他非常尊敬和钦佩的人在专心从事这项事业时,找到了内心的自由和安宁.于是,少年时代的爱因斯坦就选择了科学事业,希望掌握这个自然世界的奥秘,而一旦选择了这一道路,就坚持不懈地走了下去,从来没有后悔过. 　　1895年,爱因斯坦来到瑞士苏黎世,准备投考苏黎世的联邦工业大学,虽然他的数学和物理考得很不错,但其他科目没有考好,学校校长推荐他去瑞士的阿劳州立中学学习一年,以补齐功课.在阿劳州立中学的这段时光中使爱因斯坦感到快乐,他尝到了瑞士自由的空气和阳光,并决心放弃德国国籍. 　　1896年,爱因斯坦正式成为一个无国籍的人,并考进了联邦工业大学.大学期间,爱因斯坦迷上了物理学,一方面,他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作,钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学,并经常去理论物理学教授的家中请教.另一方面,他的大部分时间是去物理实验室去做实验,迷恋于直接观察和测量.1900年,爱因斯坦大学毕业.1901年,他获得了瑞士国籍.1902年,在他的朋友格罗斯曼的帮助下,爱因斯坦终于在伯尔尼的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作——当技术员. 　　狭义相对论的创立 　　早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场.这种事可能发生吗? 　　与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题.以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素.17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质.其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中.与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说.牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉.18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展.当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太.与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来.以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体.直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太. 　　但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致.关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了.电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难.按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离.你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离.按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用.但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同.向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢,因为后车的光速=光速-车速.麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖.我们如何解决这一分歧呢? 　　19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机.海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”.在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度.德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说：“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了.” 　　爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人.在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解.在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学.爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在.他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的.经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义.于是他想到：以及绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗? 　　爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性.相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑.他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题.光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题.当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影