爱因斯坦两大假设的推论

爱因斯坦工作模式的特征，就是从最基本的原理出发，推导出所有的逻辑结果，并推至极限。他发现，从这些看起来正常合理、无伤大雅的假设出发，通过严谨的推导，可以得出一些新奇甚至某种意义上“难以置信”的结果。从这些结果他又陆续推演出另外一些结论，它们不但看起来难以相信，而且十分“矛盾”“古怪”“不能被健全的逻辑和心理所容忍”。

现今已有成千上万的文章试图向大众解释爱因斯坦的理论。本书的目的，并不是深入讨论其理论的所有细节，而是描述爱因斯坦的人格及他与周围环境的关系。尽管如此，对他的科学工作多少了解一些还是有必要的，因为这样我们才能了解他解决科学问题的方式，并方便将他与其他科学家做比较。尤其地，我们还应当试着去理解，在物理学界之外，他的理论如何激发了哲学家们的兴趣，从而间接地激起了对科学问题本来没什么兴趣的大众参与到那个时代里的最广泛的知识生活中去。

从两个基本假设出发，爱因斯坦得出这样的结论：不但光的力学理论是错的，而且牛顿力学对于一般物体的描述也不总是对的。如果回溯到爱因斯坦16岁时对光的性质的思索，用这种方式，我们将容易理解这个结论。

当爱因斯坦还只是一个学生的时候，他就曾经构想过如果一个物体能够以三十万公里每秒的光速运动，会有何等了不起的事情发生。让我们假设除了基本参考系F以外，还有一个用来做光学实验的实验室参考系L。实验室L相对于基本参考系F以恒定的速度v运动。假设F中有一个静止的光源，光线以光速c在F中沿着实验室L运动的方向传播。如果实验室的速度与光速相等，那么根据牛顿力学，光线相对于实验室是静止的。由于光没有相对于实验室的运动，因此在实验室L里没有光线，从而通常的光学反射和散射实验都无法进行（图1）。当然可以想象在这样一个快速运动的体系L里，可能不再有任何通常意义下的光学现象。但是这又与爱因斯坦提出的光学相对性原理相悖。根据相对性原理，无论实验室的速度v是多少，光学实验的结果都应该是一致的。

图1

图中，光波在以太中沿着水平方向传播。假设T是光传播一半波长所需要的时间。最上图表示的是光从光源R发出，经过时间T之后光波的状态。其他的横轴从上到下分别表示经过时间2T、3T和4T之后的状态。如果仪器放在以太中的一个固定点上，那么它可以在时刻T、2T、3T、4T的时候依次记录光波的状态（沿着OA线）。用虚线表示这些状态，它们反映了振动情况。但是如果记录仪以光速沿波传播的方向运动，那么它记录的是沿着OB的光波的状态（用实线表示）。明显，这台运动的仪器不能记录下任何振动。简单地说，以光速运动的仪器探测不到光。

如果我们把从爱因斯坦的两大原理（相对性与光速不变性）得出的结果与光的以太理论相比较，也会出现同样的问题。我们再次假设实验室以光速c相对于基本参考系运动。在实验室L中放置一个静止光源，并且用L中一面静止的镜子来反射光源发出来的光。在L中贯彻，这一过程只不过是光被静止的镜子反射而已。根据光速不变性，如果我们假设光源是在基本参考系F中静止，结果也不会有什么变化。然而，这个时候光应该不能被实验室中的镜子反射，因为光和镜子都沿着同一个方向以光速运动，光线永远追赶不上镜子。所以，此时实验室本身的速度对在其中观测到的物理现象是有影响的，这违背了爱因斯坦的相对性原理。

如果我们接受爱因斯坦的两个基本假设，那么以上的思考将带来这样的推论：实验室参考系L是不可能相对基本参考系F以光速c运动的——否则相对性原理就不正确了；鉴于实验室也是物体，换句话说，没有任何物体可以以光速（c）运动。

乍看之下，这个结论有些荒唐。人们很有理由认为，如果速度连续不断地一直增加，哪怕单位时间内增加量很小，最终也总是能达到任意速度的。根据牛顿力学，当一个力作用到物体上时，可以使其速度增加，增加的速度越小意味着物体的质量越大。我们只需要把力施加在物体上，经过足够长的时间，就能让它的速度增加到任意量级。这显示了爱因斯坦原理与牛顿力学的不相容：前者否定了任何物体以光速运动的可能，后者却包含了这种可能性。

因此，在爱因斯坦的力学中，真空光速扮演着一个特殊的角色。任何物体都不能达到或者超过这个速度。从而我们找到了力学和光学现象之间的一个紧密的联系。此外，鉴于这种情况，我们可以说速度“大”或“小”而不加以特别说明，因为光速可以作为衡量速度大小的标准。