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43狭义相对论研究背景和研究目的1905 6 3043（第1页）

爱因斯坦43狭义相对论研究背景和研究目的1905.6.30

1905年6月30日，继收到爱因斯坦5月11日投稿的布朗运动论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》后50天，《物理学年鉴》收到了阿尔伯特·爱因斯坦的又一篇论文，题为《论动体的电动力学》，名字对非相关领域人士来说有点古怪，论的意思是讨论、探讨或试探性的观点，动体是运动的物体，最费解的是电动力学，按不严格的理解，全名应该是电磁动力学，直白点研究的是电磁现象，按学术的说法电动力学研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。再具体点，爱因斯坦这篇论文其实主要研究的就是光速引起的各种矛盾问题，毕竟光也属于电磁波的范畴。按后来公认的说法，这篇论文其实就是狭义相对论。

论文《论动体的电动力学》开始部分依然是研究背景介绍和研究目的阐述，在研究背景中，爱因斯坦首先阐述了麦克斯韦电磁理论在应用到运动物体上引起了不对称，并拿磁生电和电生磁为例具体解说了何为不对称、不协调，令人不爽的感觉：

“大家知道，麦克斯韦电动力学像现在通常为人们所理解的那样应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用。在这里，可观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关，可是按照通常的看法，这两个物体之中，究竟是这个在运动，还是那个在运动，却是截然不同的两回事。如果是磁体在运动，导体静止着，那么在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场，它在导体各部分所在的地方产生一股电流。但是如果磁体是静止的，而导体在运动，那么磁体附近就没有电场，可是在导体中却有一电动势，这种电动势本身虽然并不相当于能量，但是它——假定这里所考虑的两种情况中的相对运动是相等的——却会引起电流，这种电流的大小和路线都同前一情况中由电力所产生的一样。”

其实对爱因斯坦在此论述的这种不对称、不协调，令人不爽，有些经典物理学的拥护者并不觉得有问题，这种令人不爽的感觉是爱因斯坦的直觉，也是他的偏爱，接着，爱因斯坦又简单提及了测定地球相对于以太运动的实验，并就此推广了伽利略相对性原理，不仅力学实验无法区分惯性系（注：匀速直线运动或静止参照系），就是电磁实验等一切物理实验都无法区分惯性系，也就是说没有特殊地位的惯性系（比如以太），大家都一样，物理定律对所有惯性系形式都一样：“诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于‘光媒质’运动的实验的失败（注：最著名的迈克尔逊－莫雷实验），引起了这样一种猜想：绝对静止的概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用，对于第一阶微量来说，这是已经证明了的（注：洛伦兹1895年论文）。”

推广伽利略相对性原理范围，志向很大，属于豪情壮语，大家都可以发，至于推广后解决矛盾的韬略那就看各人的本事了，爱因斯坦解决相对性原理范围扩大后出现矛盾的方法是提出了光速不变原理，并将物理定律对所有惯性系形式都一样和光速不变列为了自己理论创作的两条公设：“我们要把这个猜想（它的内容以后就称之为‘相对性原理’）提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着（注：论文中光速为大写V，不是后来惯用的c），这速度同发射体的运动状态无关。”

光速不变的提出一个是爱因斯坦的直觉，最著名的说法是10年前1895年秋，爱因斯坦尚在阿劳州立中学补齐中学学业时畅想的追光实验：“在阿劳的那一年，我想到了下面这个问题：如果一个人以光速追赶一束光，他将看到面前呈现出一个不随时间而变的波场。然而，这样的东西看来是不可能存在的！这是跟狭义相对论有关的第一个幼稚的思想实验。”

光速不变科学上的依据是麦克斯韦方程组导出的光速公式：c=1√（μ0ε0），其中μ0为自由空间磁导率，ε0为自由空间介电常数，c为电磁波速也就是光速。公式说明光速与参照系无关，只与自由空间磁导率和自由空间介电常数有关，当然，当年的大多数物理学家都给光速加了个绝对参照系——以太，麦克斯韦方程组导出的光速数值是相对于绝对参照系以太来说的。

光速不变实验上的依据便是以迈克尔逊－莫雷实验为代表的各种测量地球相对于光媒质（以太）运动的实验结果为零，爱因斯坦做苏黎世联邦理工学院的毕业论文时也曾设计过类似的实验。

提出两条公设后，爱因斯坦论述了自己在论文中将要做的事：“由这两条公设根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力

学。‘光以太’的引入将被证明是多余的，因为按照这里所要阐明的见解，既不需要引进一个具有特殊性质的‘绝对静止的空间’，也不需要给发生电磁过程的空虚空间中的每个点规定一个速度矢量。”

爱因斯坦说的毕竟学术和谨慎，用大白话说，甚至有些不知天高地厚的说，既然光速不变，对任何惯性系都一样，那不同惯性系量度的空间中的长宽高和时间就得变，即坚持光速不变和物理定律对惯性参照系形式不变，导致的必然结果就是对不同惯性系来说，空间尺度和时间量度不得不改变，其实这就是相对论最终论证的结果，有些石破天惊，甚至有些天马行空，在没有实验数据证明它的结论正确之前，你甚至可以说它是胡说八道，因为它为了光速不变，而提出空间和时间都要变。即使现代人想来这也有些匪夷所思，因此，在没有微观粒子高速运动和宏观天文学观测数据支持的前提下，相对论理论结论的可靠性确实不太好说。多说一点，狭义相对论以光速不变为理论根基，并不是说离了光速不行，而是光速的不变性其实提示了人类空间和时间的可变性才是原本的客观实在，空间和时间的绝对不变性是人的错觉和错误理解。也就是说人们不过是通过光速的不变性察觉到了空间和时间原本的可变性。

论述完研究背景和研究目的后，爱因斯坦在最后提出了研究条件设定：“这里所要阐明的理论像其他各种电动力学一样——是以刚体的运动学为根据的，因为任何这种理论所讲的，都是关于刚体（坐标系）、时钟和电磁过程之间的关系。对这种情况考虑不足，就是动体电动力学目前所必须克服的那些困难的根源。”

最后一句话的意思是“刚体（坐标系）、时钟和电磁过程之间的关系”就是本文要解决的主要问题，此前的动体电动力学困难的根源就是没有正确处理“坐标系、时钟和电磁过程之间的关系。”

爱因斯坦43狭义相对论研究背景和研究目的1905.6.30

1905年6月30日，继收到爱因斯坦5月11日投稿的布朗运动论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》后50天，《物理学年鉴》收到了阿尔伯特·爱因斯坦的又一篇论文，题为《论动体的电动力学》，名字对非相关领域人士来说有点古怪，论的意思是讨论、探讨或试探性的观点，动体是运动的物体，最费解的是电动力学，按不严格的理解，全名应该是电磁动力学，直白点研究的是电磁现象，按学术的说法电动力学研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。再具体点，爱因斯坦这篇论文其实主要研究的就是光速引起的各种矛盾问题，毕竟光也属于电磁波的范畴。按后来公认的说法，这篇论文其实就是狭义相对论。

论文《论动体的电动力学》开始部分依然是研究背景介绍和研究目的阐述，在研究背景中，爱因斯坦首先阐述了麦克斯韦电磁理论在应用到运动物体上引起了不对称，并拿磁生电和电生磁为例具体解说了何为不对称、不协调，令人不爽的感觉：

“大家知道，麦克斯韦电动力学像现在通常为人们所理解的那样应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用。在这里，可观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关，可是按照通常的看法，这两个物体之中，究竟是这个在运动，还是那个在运动，却是截然不同的两回事。如果是磁体在运动，导体静止着，那么在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场，它在导体各部分所在的地方产生一股电流。但是如果磁体是静止的，而导体在运动，那么磁体附近就没有电场，可是在导体中却有一电动势，这种电动势本身虽然并不相当于能量，但是它——假定这里所考虑的两种情况中的相对运动是相等的——却会引起电流，这种电流的大小和路线都同前一情况中由电力所产生的一样。”

其实对爱因斯坦在此论述的这种不对称、不协调，令人不爽，有些经典物理学的拥护者并不觉得有问题，这种令人不爽的感觉是爱因斯坦的直觉，也是他的偏爱，接着，爱因斯坦又简单提及了测定地球相对于以太运动的实验，并就此推广了伽利略相对性原理，不仅力学实验无法区分惯性系（注：匀速直线运动或静止参照系），就是电磁实验等一切物理实验都无法区分惯性系，也就是说没有特殊地位的惯性系（比如以太），大家都一样，物理定律对所有惯性系形式都一样：“诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于‘光媒质’运动的实验的失败（注：最著名的迈克尔逊－莫雷实验），引起了这样一种猜想：绝对静止的概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用，对于第一阶微量来说，这是已经证明了的（注：洛伦兹1895年论文）。”

推广伽利略相对性原理范围，志向很大，属于豪情壮语，大家都可以发，至于推广后解决矛盾的韬略那就看各人的本事了，爱因斯坦解决相对性原理范围扩大后出现矛盾的方法是提出了光速不变原理，并将物理定律对所有惯性系形式都一样和光速不变列为了自己理论创作的两条公设：“我们要把这个猜想（它的内容以后就称之为‘相对性原理’）提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着（注：论文中光速为大写V，不是后来惯用的c），这速度同发射体的运动状态无关。”

光速不变的提出一个是爱因斯坦的直觉，最著名的说法是10年前1895年秋，爱因斯坦尚在阿劳州立中学补齐中学学业时畅想的追光实验：“在阿劳的那一年，我想到了下面这个问题：如果一个人以光速追赶一束光，他将看到面前呈现出一个不随时间而变的波场。然而，这样的东西看来是不可能存在的！这是跟狭义相对论有关的第一个幼稚的思想实验。”

光速不变科学上的依据是麦克斯韦方程组导出的光速公式：c=1√（μ0ε0），其中μ0为自由空间磁导率，ε0为自由空间介电常数，c为电磁波速也就是光速。公式说明光速与参照系无关，只与自由空间磁导率和自由空间介电常数有关，当然，当年的大多数物理学家都给光速加了个绝对参照系——以太，麦克斯韦方程组导出的光速数值是相对于绝对参照系以太来说的。

光速不变实验上的依据便是以迈克尔逊－莫雷实验为代表的各种测量地球相对于光媒质（以太）运动的实验结果为零，爱因斯坦做苏黎世联邦理工学院的毕业论文时也曾设计过类似的实验。

提出两条公设后，爱因斯坦论述了自己在论文中将要做的事：“由这两条公设根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力

学。‘光以太’的引入将被证明是多余的，因为按照这里所要阐明的见解，既不需要引进一个具有特殊性质的‘绝对静止的空间’，也不需要给发生电磁过程的空虚空间中的每个点规定一个速度矢量。”

爱因斯坦说的毕竟学术和谨慎，用大白话说，甚至有些不知天高地厚的说，既然光速不变，对任何惯性系都一样，那不同惯性系量度的空间中的长宽高和时间就得变，即坚持光速不变和物理定律对惯性参照系形式不变，导致的必然结果就是对不同惯性系来说，空间尺度和时间量度不得不改变，其实这就是相对论最终论证的结果，有些石破天惊，甚至有些天马行空，在没有实验数据证明它的结论正确之前，你甚至可以说它是胡说八道，因为它为了光速不变，而提出空间和时间都要变。即使现代人想来这也有些匪夷所思，因此，在没有微观粒子高速运动和宏观天文学观测数据支持的前提下，相对论理论结论的可靠性确实不太好说。多说一点，狭义相对论以光速不变为理论根基，并不是说离了光速不行，而是光速的不变性其实提示了人类空间和时间的可变性才是原本的客观实在，空间和时间的绝对不变性是人的错觉和错误理解。也就是说人们不过是通过光速的不变性察觉到了空间和时间原本的可变性。

论述完研究背景和研究目的后，爱因斯坦在最后提出了研究条件设定：“这里所要阐明的理论像其他各种电动力学一样——是以刚体的运动学为根据的，因为任何这种理论所讲的，都是关于刚体（坐标系）、时钟和电磁过程之间的关系。对这种情况考虑不足，就是动体电动力学目前所必须克服的那些困难的根源。”

最后一句话的意思是“刚体（坐标系）、时钟和电磁过程之间的关系”就是本文要解决的主要问题，此前的动体电动力学困难的根源就是没有正确处理“坐标系、时钟和电磁过程之间的关系。”

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