相对论
这里，我们将首先讨论第三篇论文——相对论。在从原子弹和太阳中的能量平衡，至建造大型粒子加速器所必需的动力学的许多领域里，都根据相对论取得了一系列的实用成果。这篇论文在我们的时空概念方面首先引起了一场革命。为分析这些概念，哲学家们竭尽努力，业已用去了几个世纪的时间，但都未曾获得像爱因斯坦那样深奥的、决定性的结果。
为了阐明这篇论文及爱因斯坦其他一些著作，我得对光这一课题作简短的插叙。对光的科学研究始于文艺复兴时代，到牛顿和惠更斯时代达到了高潮。牛顿和惠更斯是继伽利略之后物理学早期的两名主要代表，他们曾提出相互抵触的光的理论。按牛顿的观点，光是由快速运动的粒子组成的。而惠更斯则认为，光是一种波，它在极精细的介质——以太中传播着。这两种相互对立的理论一直维持了好多年到十九世纪初叶，人们证实了光可表现出干涉现象，就是说，通过光与光的叠加，便能获得暗的干涉条纹。这种现象的产生用波动理论很容易解释，因为振幅相同相位相反的两列波可以相互抵消——一波的波峰填补了另一波的波谷。但是，用微粒理论是不能解释这种干涉现象的。除此之外，波动理论还要求，在折射现象中光在光密媒质中传播较慢；而按微粒理论，情况则刚好相反。也就在这一方面，实验结果恰恰对波动理论有利。
后来，麦克斯韦方程解释了迄今知道的各种光学现象，它的作用及其普遍性看起来似乎无与伦比，传播速度可与电量相联系，电量则可在实验室中用诸如电容器、电流计、磁铁这些似乎与光无任何关联的电器仪表进行测量。由于光可转化为以太物质的电振动，问题就在于要确定以太的性质。在某些理论中，以太已被赋予种种特殊的机械性能，例如弹性系数。总之，各种理论都得引入某种以太。
假如一光源或一名观察者相对于以太运动，这种运动本身就会以某种方式表现出来。以在空气中传播的声音为例，当声源以声速相对于静止的空气运动时（马赫数为1），就会产生一种奇特的效应，这种效应叫做音障。相反，却不能观察到有任何东西会显现出相对于以太的运动。例如，人们已经求出光在真空中的传播速度始终是c=2.997924×1010厘米/秒。迈克尔逊（A.A.Michelson）以及后来迈克尔逊和莫利（E.W.Morley），用相对于地球运动方向的各个不同方位定位的一台迈克尔逊干涉仪进行多次测量，曾先后对上述结果作出了精确的验证。
迈克尔逊（1852～1931）出生在斯特尔诺（当时属于普鲁士），在他还是一个孩子的时候，其家庭就移居到了加利福尼亚，他是在类似于美国西部作品所描绘的金矿城中长大的。他在安纳波利斯上过海军学院，并作为海军军官学校学员而毕业。紧接着就是长期的不平凡的科学经历，这使他成了美国最著名的物理学家之一，获得诺贝尔奖金的第一个美国人。他测得的光速，就像通常人们所了解的那样，是相对论的支柱之一，但是，这些测量结果似乎并没有在1905年影响过爱因斯坦。
爱因斯坦或许先验地相信，麦克斯韦方程在相互作匀速直线运动的各个参考系中，都必定具有准确相同的形式。也许他在年轻时代考虑要是一名观察者用速度c追随电磁波将会出现怎样情形时，就得出了他的结论。对他来说，光速不变性已无可怀疑，在各种参考系中都必定相同。总而言之，尽管爱因斯坦也许还不大熟悉迈克尔逊的直接验证，因为他在1905年的论文中没有引证，但他关于相对论原理的公理性假设，使人回忆起了热力学原理。他的假定是：
（1）相对性原理：要想把一个参考系与另一个以不变速度（大小和方向不变）相对于该参考系运动的参考系加以区别，这是不可能的。这样的参考系就叫做惯性系统。区分就意味着在第一或第二个参考系中所做的每一个实验，对于同该参考系相联系的观察者来说，所得到的结果不相同[2]。
（2）光速不变原理：光速与光源的运动无关。
爱因斯坦以前的物理学家们，曾为解决运动物体的电动力学中出现的困难而作过奋斗。赫兹和其他一些人都曾试图对此作系统的阐述。洛伦兹、G.F.斐兹杰惹（G.F.FitzGerald）和庞加莱对这一问题作过深入的思考。洛伦兹曾发现，按照伽利略提出的显然是以常识为根据的规则，当麦克斯韦方程由一个参考系到另一个参考系时，并不保持相同的形式。若令x为第一个参考系的空间座标，t为时间座标，x'和t'为第二个参考系中的相应量，当第二个参考系以速度υ相对于第一个参考系运动时，伽利略变换应为：
按这些法则把一个参考系的座标变换到另一个参考系，人们将会发现麦克斯韦方程出现了明显的变化。特别要注意的是，时间在两个参考系中都是相同的。(https://www.daowen.com)
洛伦兹找到了一种座标变换，即著名的洛伦兹变换，这种变换赋予麦克斯韦方程以不变性，且当υ≪c时可简化为伽利略变换。用方程式表示则为：
*原文中此式为：
——译注。
洛伦兹变换无疑是正确的，但那时看上去它只不过像是一种数学窍门而已。
爱因斯坦用一种深奥的崭新的探讨方法开始研究时间和空间的变换问题。他凭借自己强有力的逻辑推理，用一种运算法仔细分析了时间和空间的概念，这种方法对引入的每一个概念都要求就如何测定所包含的量值有严格具体的说明。当然，他关心的并非是所用的仪器及其操作技能，而是实验的逻辑性。一些完全出人预料的结果就是通过他的分析得出的。例如，他发现同时性具有相对性：对一名观察者来说，在不同地方同时发生的事件，对另一名相对于第一名观察者运动的观察者而言则是不同时的。与此相类似的，就出现了双胞胎的佯谬：一个双胞胎留在一个参考系中，另一个作匀速直线运动离去，尔后，沿着原先的运动路径的相反方向返回。当第二个双胞胎再次见到第一个双胞胎时，他发现第一个双胞胎比自己变得苍老了。显然你对此有怀疑，但用衰变粒子作过实验，相对论预言的结果已被证实。问题已特别清楚，与测量时间和空间的正确方法相一致的是洛伦兹变换，而不是伽利略变换。
尽管那时由于它同日常经验表面上有矛盾，使许多物理学家不愿接受，但爱因斯坦的逻辑推理却是无可辩驳的。我之所以强周“表面”，是因为这种矛盾实质上是不存在的。爱因斯坦的一位老师赫尔曼·闵可夫斯基（1864～1909）为时间和空间的座标变换创造了一种精巧的数学表达式。他引用了四维空间，即三维为普通空间和一维为时间。这种四维空间所具有的特征在于：两点间的距离不是用毕达哥拉斯定理确定的。毕达哥拉斯定理用于普通空间时，两点间的距离为s2=x2+y2+z2。闵可夫斯基的空间采用的是一种稍微不同的形式，两点间的距离s2=x2+y2+z2-c2t2。在四维空间中引入时间，且在最后一项之前冠以负号，情况就发生了根本性的变化。1908年，闵可夫斯基在一次划时代的讲演中，曾用下面一段话介绍了他的新概念。
诸位先生，我希望在你们面前提出的时空观已在实验物理学的土壤中产生，并在那里显示它们的生命力。它们是带根本性的。从此，就时间本身和空间本身来说，注定要消失而成为幻影，只有二者的统一体才是独立存在的（80年文献，德国自然科学工作者与医生会议，科隆，1908年）。
当闵可夫斯基看到爱因斯坦的原著时，回想起了他的学生，并说，实际上，“想像一下！如果没有见到他的原著，我就不会想到那个小伙子会干出这样漂亮的事情来。”
相对论的影响是巨大的，深刻的，而且是出乎人们预料的。按照爱因斯坦的思维方法，光速是以一个普适常数出现的，它的基本特性超出了它同电磁的历史联系，它用洛伦兹变换把空间和时间联系了起来，它是信号传递不可超越的极限速度，它出现在静止质量为m之质点的速度、能量和动量之间的联系中。这种关系可用公式
和p=mυ
给出。定义为力和加速度之比率的物体的质量，变成随着速度而变化的量。质量守恒已不再是一条正确的定律，它被推广了的能量守恒定律所取代，据此质量可以按照公式：
转化为能量。现代的物理学家们甚至已经发现了无质量的“粒子”，最著名的就是光量子（见下一节）。对于这些粒子，E=cp，且以光速相对于任一惯性系统运动。
这些新的概念搅乱了物理学家，甚至像H.A.洛伦兹这样一位伟大的理论物理学家，虽然他已找到了作为相对论基本的东西的那种变换，但也感到难于接受这些新思想。问题并不在于数学出现了障碍，那一方面的困难是微不足道的。障碍就在于实际的思想方法，所以，这种理论在经过一代人后才为物理学家们所熟悉。真正的物理学的新思想的渗透是缓慢的，这主要是因为创立新思想的一辈不能“感知”它们。老一辈的物理学家可以学习它，但是只是在这一代人过世后，继承者把它当作基础来学习的时候才能做到真正的吸收和理解。在量子力学方面，我清楚不过地目睹了这一情景。还应当补充说一点，从一开始就受到这种教育的新一代，是不知道创造者们必须全力对付的各种困境和非议的。
人们对相对论的接受缓慢得出奇。例如，甚至直到1922年，瑞典科学院以“他对理论物理作出了贡献，特别是他发现了光电效应定律”为理由，才给爱因斯坦颁发了诺贝尔奖金。对相对论只字未提，这似乎令人奇怪，但是，回溯一下我就觉得这种抉择是明智的。它并不意味相对论是区区小事，而是爱因斯坦的其他“贡献”是极其巨大的。
