《相對論精義》
阿爾伯特·愛因斯坦26歲的時候，就把有300年曆史的絕對時間觀念摧毀了。他推翻了牛頓物理學的整個基礎，對現實進行了革命性的重新評價，賦予時間和空間全新的意義。這就是“相對論”。它給出了許多完全新穎的結果，其中有“時間膨脹”（即一個人的時間相對於另一個人變慢），時間經過空間“蛀洞”的行進，以及“新生兒自謀殺”的異乎尋常的景象，即時間旅行者回到出生時刻從而“謀殺”了他們自己。愛因斯坦粉碎了幾乎所有關於時間的常識。但是，如我們將要看到的，時間問題中有一個基本方麵被他避開了。他沒有考慮時間箭頭。
如果我們認為，一切事情都是在愛因斯坦的相對論論文發表的一夜之間改變的，那就錯了。摧毀絕對時間觀念的種子，早在十七世紀就被丹麥人羅耶默（OleRoemer）播下了。確實，按照愛丁頓的說法，我們現在所理解的時間，是被羅耶默發現的。當他1675年在巴黎天文台研究木星衛星的不規則運動時，首次指出光信號具有速度。他告訴一些科學院院士說，由於光線不是瞬時地而是逐漸地傳播--這種看法持續至今--離木星最近的一個衛星下一次的掩食時刻，將比根據以往觀測推算出的要晚十分鍾。
一旦人們開始去想，光線從蠟燭或電燈泡傳到眼睛需要時間，而不是瞬時地傳播過來，就會搞清楚了，當我們注視天空的時候，我們看到的很遠的恒星或星係，是它們很久以前的樣子。直到1728年，羅耶默的看法才被英國天文學家布拉德雷（JamesBradley）所證實。這以後，光的有限傳播速度的概念才被廣泛接受（現代的光速值大約是300,000,000每秒米）。然而羅耶默的工作還標誌著，最質樸的絕對時間的概念開始終結。絕對時間設想，我們看到的宇宙深處所有角落發生的事件，都和地球上的時間同步。愛因斯坦表明，即使考慮到在把這些事件的信息傳過來時，光具有速度，絕對時間也不能夠成立。處在不同運動狀態的觀測者，他們測量的時間不再彼此相同：相對於一個不動的觀測者，一座鍾所顯示的時間決定於它的速度。如果還要考慮引力的話，那麼這個時間還要與鍾在空間中的位置有關。
公眾對愛因斯坦的傳統印象是，一個白發蒼蒼，為人和善的古怪老頭。但實際上，當他在第一次世界大戰前的幾年裏震撼科學世界時，他是一個幹淨利索的年輕人，黑色卷發並留著胡須。一個傳記家曾這樣寫過愛因斯坦：“顯而易見，他看來特別樂於與女士們交際。這種感覺常常是相互的。這個剛成名的年輕人，有一頭濃密的、烏黑發亮的波浪式美發，一雙大而明亮的眼睛和不拘禮節的風度，明顯地具有迷惑力。”這也是一個身負重大使命的年輕人。愛因斯坦的夢想是，創立一個與實際世界相符的描述，它不受人為偏見的影響，在它描述的世界裏，客觀存在是至高無上的。他抱負的誌向是，使物理學規律完全擺脫觀測者的影響，為此他堅持認為，所有的觀測者，不論他的位置和運動狀態如何，必須同等地看待。任何個別的觀測者或“參考係”都不具有特殊的地位--物理學規律必須與這些瑣事無關。愛因斯坦遠征的第一個階段是狹義相對論，它建立在一個新的原理之上，即光的速度對所有的觀測者都是相同的，不論他們自己的速度如何；後來這個理論擴展到對引力的解釋，也就是廣義相對論。
邁克耳孫--;莫雷實驗
在相對論問世之前，以太的觀念就已經不得不離開曆史舞台了。以太是由日常經驗啟發出來的。聲音是空氣中的波，漣漪是水中的波。所以十九世紀的物理學家自然地想到，光同樣必須是在某種東西中的振動，他們就把這種東西稱之為以太。正如派斯（AbrahamPais）所說，以太是“一個富有奇趣的假想介質，它的引入是為了解釋光波的傳播。”以太也為測量絕對空間提供了一個標度。它可以被想象為一張籠罩著整個宇宙的無形的網，就像地圖上的經緯線一樣，可以作為測量距離的參考係。
我們前麵談到過的麥克斯韋電磁理論，它的成功啟發了一些人去做實驗，目的是測出地球繞日運行穿過以太的速度--也就是“以太漂移”的速度。事實上，正是這其中的一個實驗--1887年在克裏夫蘭的切斯應用力學學院做的--讓以太的幽靈壽終正寢。這是搜尋以太的實驗中最著名的一個，是由物理學教授邁克耳孫和他的同事莫雷，一位化學教授，一起完成的。基本上，他們的實驗是重複邁克耳孫以前的一個實驗，在那個實驗裏誤差把結果搞得模糊不清。他們用一個光源向兩個方向發射光束，兩束光被與光源距離相等的兩麵鏡子反射回來。其中一束光的方向，是沿著設想的地球相對以太運動的方向，另一束的方向與其垂直。
邁克耳孫和莫雷期待發現，在兩個相互垂直的方向上光線傳播的速度會有不同，這差別可能就是由於地球在以太中穿行的運動而導致的。比如，在地球軌道運動方向上傳播的光，會相對以太風逆行。這樣，這束光的速度就會比其它方向上的光速慢。分析光的運動就可以知道，垂直於以太風方向的光束，比沿著以太風方向的光束提早被反射回來。兩束光被反射回到光源處的時間差，可以計算出來並與實驗相比較。但是邁克耳孫和莫雷沒有發現一點時間差。為了防止地球繞太陽轉動時，以太風的方向發生改變而影響實驗結果，他們在一年的不同時間重複同樣的實驗。但是不管他們如何努力，還是沒有觀察到時間差別。這就是說，根本就沒有以太。
這是一個令人驚奇的結果。諾貝爾獎獲得者密立根（RobertMillikan）當時認為，它是一個“不合道理的，看上去無法解釋的實驗事實。”看來，不論光是順著以太風或地球運動方向走，還是逆著走，光的速度並沒有改變。如果以太站不住腳了，力學體係本身可能就需要重新改寫。“靜止的以太”提供了一個絕對的參考係，它是牛頓心理上需要的，雖然牛頓力學也認為以太是多餘的：因為沒有辦法去探測絕對運動--火車裏放手讓一個球落下，則無論火車是停著，還是以不變的速度在行駛，球都將是垂直地下落。人們所能夠觀察到的，隻是兩個物體彼此間的相對運動，並不存在什麼絕對的參考係。
但是，仍然有一種看來是從邏輯上對以太的需要，因為電磁學並不滿足此種相對性原理。電磁作用隨著觀察者而異，並且看上去確與某個絕對參考係有關：當時就有不同的方法，解釋發電機如何把運動轉變成電力，電動機又如何把電力轉變成運動。因為以太的觀念已經站不住腳了，愛因斯坦需要一個新的理論，它對所有的自然現象給出一個統一的描述。結果是他改寫了物理學，讓邁克耳孫--莫雷實驗的否定結果成為新原理的自然後果。
許多作者聲稱，邁克耳孫--莫雷實驗，與另一些或早或晚的實驗一起，是對以太致的悼詞。這樣說無疑是過於簡單了。許多著名的物理學家，仍在努力使邁克耳孫--莫雷實驗與以太的假說相符合。這當中，最有名的要算是荷蘭的洛倫茲和愛爾蘭的菲茲哲羅（GeorgeFrancisFitzgerald）。他們試圖利用上一章中提到過的洛倫茲變換，用物體穿過以太運動時的物理收縮來解釋邁克耳孫--;莫雷的實驗結果。這樣，以太的假說就可以仍然成立，不過要以一種未經解釋的運動物體的畸變作為代價。我們將會看到，這種長度收縮，與愛因斯坦所揭示的世界中的效應相近，我們以後必須習慣於這種效應。
洛倫茲實際上已經接近了狹義相對論的公式，但是他不能擺脫牛頓的絕對時間“經典”觀念的束縛，並且緊抱著以太理論不放。法國數學家兼物理學家龐加萊，對牛頓力學造成的問題看得很清楚，他問道：“以太究竟是什麼，它的分子是如何排列的，它們是相互吸引還是相互排斥？”他並且熱切期望著如愛因斯坦後來提出的根本解決辦法。他說道：“也許我們必須建立一種新的力學，對它我們隻能夠管中窺豹，……在這個新力學中，光速是一個不可逾越的極限。”1904年龐加萊甚至於編造出一個“相對論原理”。但是按照愛因斯坦自己的說法，看來龐加萊至死都沒有搞懂狹義相對論的物理含義。
愛因斯坦本人很久以後才知道上述物理學家的種種努力，他基本上是獨立地得出他的理論的。他當時並不熟悉那些在物理學雜誌上發表的、時新的研究論文的內容。確實，他一點不知道洛倫茲1895年以後的工作；特別是，如我們將會看到的那樣，他從沒有聽說過洛倫茲變換，但這個變換卻在他自己的研究結果中再現了。我們甚至都不清楚，愛因斯坦是否認為，邁克耳孫--莫雷實驗對他後來的狹義相對論起了決定性的影響，雖然1916年他的朋友心理學家沃斯默（MaxWertheimer）在柏林采訪他時，他明確地說過是受到過它的影響。然而，在1954年的一封信中，他堅持說：“在我自己的研究過程中，邁克耳孫的結果對我並沒有多大影響。我甚至於都記不清楚，當我寫關於這個題目的第一篇論文的時候[1905]，我是否知道這一結果。在我個人的奮鬥中，邁克耳孫的實驗沒有起過作用，或者至少是沒有起過決定性的作用。”
通往狹義相對論之路
這樣，我們現在就講到愛因斯坦本人。他1879年3月14日上午11點30分出生的時候，他母親鮑琳相當吃驚。這孩子的後腦很大而且棱角分明，她怕這孩子是個畸型兒。他發育得很慢，語言能力又非常差，周圍的人擔心他可能永遠不會說話。當他8歲那年在慕尼黑上中學時，他的希臘語教員對他說，他將來不會有大出息。1894年他家搬到意大利，愛因斯坦被留了下來，在他不喜歡的學校裏繼續受煎熬，這是因為這個學校的嚴格製度，以及德國軍隊需求征召16歲以上的青年。他很難讓學校喜歡他，“早熟，半盲目自信，幾乎目空一切”。希臘語教員甚至建議他應當退學。確實，他父母走了不到半年，他就也跟著翻過了阿爾卑斯山。愛因斯坦後來寫道：“我的班主任老師把我叫了去，要我退學，但不給我以後能保證我進大學的文憑。我說，‘我從來沒有做過任何錯事啊’，他卻說，‘你隻要一露麵，班上就對我不尊敬了’。肯定地說，我自己是希望退學，跟著父母去意大利。但對我來說最主要的原因，還是那裏呆板的，機械式的教學方法。”一旦離開學校，愛因斯坦高興得像一隻出籠的小鳥，在回到父母身邊以前，他抓住機會在意大利北部作了長途旅行。
1895年愛因斯坦決定去試一下運氣，報考蘇黎士的聯邦工藝學校（現在叫做ETH），希望以後成為一名電氣工程師。但是他沒有通過入學考試。在阿勞的一個瑞士州立學校補習了一段時間後，他才考上。在ETH學習期間，一個教過他的、俄國出生的老師閔可夫斯基（HermannMinkowski），有一次把他形容為一隻“懶狗”，“在數學上一點都不用腦筋”。無疑，愛因斯坦是靠了他的朋友和同學格羅斯曼（MarcelGrossmann）的筆記，才補上了他沒有去聽的課。閔可夫斯基後來在愛因斯坦學說的發展過程中，起了關鍵性的作用。1900年愛因斯坦畢業後，在蘇黎士做家庭教師，並且兼代課教員。到了1902年，由於格羅斯曼父親的推薦，他在伯爾尼的瑞士專利局找到了一份差事。愛因斯坦申請的是二等技師，他卻隻得到三等技師的職位。就是在這看來不大可能有大作為的職位上，他創立了與牛頓理論同樣宏大的科學理論。在專利局他遇到了貝索（MichelangeloBesso），他是一位工程師，後來成了愛因斯坦的終生摯友。在愛因斯坦的第一篇相對論的論文中，貝索是唯一被愛因斯坦致謝的人。