物理学的进化（阿尔伯特·爱因斯坦）一

我们已经知道，这个惯性定律不能直接从实验得出，它只能根据思索和观察得出。理想实验无论什么时候都是不能实现的，但它使我们对实际的实验有深刻的理解。

在我们力图理解自然规律时，同样地，我们发现，一些最明显的直觉的解释往往也是错的。

人的思维创造出一直在改变的一个宇宙图景。伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重要意义。

但是立即又发生了对运动的新问题。假如速度不表征作用于物体上的外力，那么什么才是呢？伽利略发现了这个根本问题的答案，而牛顿又把这个问题答复得更为精确；它成了我们侦察中的另一个线索。

因此牛顿所作的经典力学是以力与速度改变之间的联系为基础，而不是以人们直觉所想的力与速度本身之间的联系为基础的。P7

但是单用一个数还不足以表示某些物理概念。认识到这一点是科学研究中的一大进步。P10

将运动加以破坏来寻求速度矢量的这个理想实验不能把它看得太认真。它只是帮助我们懂得应该把什么东西称为速度矢量，并使我们能在给定的地点和时间确定出速度矢量。P15

连接第一根矢量的末端与第二根矢量的末端的这根矢量表示作用力的方向。但是重要的是，两根速度矢量只能并必须是由“极短”的时间间隔来分隔。对“极近”、“极短”这一类词义作严格的分析是非常不容易的。就是这样的分析使牛顿和莱布尼兹发明了微积分。P17

如果他是机智的，他可以画出一些能解答他所观察到的一切事物的机构图来，但是他却永远不能完全肯定他的图像是唯一可以解释他所观察到的一切事物的图形。他永远不能把这幅图跟实在的机构加以比较，而且他甚至不能想象这种比较的可能性或有何意义。但是他完全相信：随着他的知识的日益增长，他的关于实在的图景也会愈来愈简单，并且它所能解释的感觉印象的范围也会愈来愈广。他也可以相信，知识有一个理想的极限，而人类的智力正在逐步接近这个极限。也就是这样，他可以把这个理想极限叫做客观真理。P23

我们说，速度与物体的质量有关，质量愈大，速度愈小。

因此我们至少在理论上能知道如何决定物体的质量，或者更确切地说，怎样决定一个质量比另一个质量大多少倍。我们以同样大小的力作用于两个静止的质量上，若发现第一个质量的速度三倍于第二个的速度，我们断定第一个质量比第二个小三倍。自然，这不是决定两个质量之比的一种很实用的方法。可是我们很可以想象，无论用这种方法或用惯性定律为基础的其他类似方法，这总是能做到的。

我们实际上是怎样决定质量的呢？当然，不是用上面所描写的那种方法。每个人都知道这个正确的答复。我们把物体放在天平上称一下就算决定了它的质量。

让我们把决定质量的这两种方法更仔细地讨论一下。

第一个实验跟重力，即地球的引力无关。小车在被推之后，就沿着绝对光滑的平面运动。重力使小车附着在平面上，它是不变的，因而在决定质量上是完全不起作用的。这种决定质量的方法和放在天平上称的方法是完全不同的。如果地球不吸引物体，即如果不存在重力的话，我们无论什么时候也不能使用天平。这两种决定质量的方法的差异在于：第一种方法与重力没有任何关系，而第二种则全靠重力的存在。

我们问：如果我们用上面所说的两种方法决定两个质量之比，那么我们所得到的结果是一样的吗？实验给我们的答复是很清楚的。结果恰恰是一样的。这个结论是不能够预知的：因为它是根据观察而不是根据推理得出来的。为简便起见，我们把用第一种方法所决定的质量叫做惯性质量，而把用第二种方法所决定的质量叫做引力质量。在我们的世界中它们刚巧相等，但是我们很容易想象它们并不是永远或到处相等的。这样就立即产生了另一个问题：这两种质量的相等是纯粹偶然的呢，还是有更深远的意义？根据经典物理学的观点，回答是这样的：这两种质量的相等是偶然的，再也没有更深远的意义可寻了。但是现代物理学的回答恰恰相反：这两种质量的相等是根本性的，它并且构成了新的、非常重要的线索，这个线索将我们引导到更深远的理解领域。事实上，这是由此而产生所谓广义相对论的非常重要的线索之一。P25

用来描述热现象的最基本的概念是温度和热，在科学史上经过了非常长的时间才把这两种概念区别开来，但是一经辨别清楚，就使科学得到飞速的发展。P27

“热物质”通常被称为卡路里；这是我们认识一整族的没有重量的物质中的最先认识的一种。P30

从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本概念和关系。这就是整个自然哲学的基本原理。它甚至表现在原子论者的著作中。P39

力学在其各个分支部门中所取得的伟大成就，在天文学发展上的惊人成功，力学观念在那些显然不具有力学性质的问题上的应用，所有这些都是我们确信，用不变的物体之间的简单作用力来解释所有的自然现象是可能的。在伽利略时代以后的两百年间，这样的一种企图有意识地或无意地表现在几乎所有的科学著作中。P41

本书开端时，我们曾把科学家比作首先搜集必要的情况，然后用纯粹的思维去寻找正确答案的侦探家。

对侦探来说，犯罪是已知的，而问题就是：究竟谁杀了人呢？科学家却多少要自己犯罪，还要自己来侦查它。此外，他不但要解释一个案子，而且所有跟它有关的已经发生或可能发生的现象他都要解释。P53

由此我们可以断定电流体也是没有重量的一族物质中的一种。P54

力是简单的。无论是万有引力，电力或磁力都可以用同样的方法来表述。但是为了求得这个简单的表述方法，我们所付的代价也很高：引入了许多新的，没有重量的物质。它们都是颇为牵强的概念，而且与基本的物质——质量完全无关。P60

不仅力不在连接磁针与电荷的直线上，而且力的强度与带电体的速度有关。整个机械观是建立在一个信念上的，即认为一切现象都可以用只与距离有关而与速度无关的力来解释的。罗兰的实验结果推翻了这个信念。P64

提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。P66

假如要用力学方法解释光学现象，必须假定以太到处存在。假如光只能在介质中通过，那么便不能有真空的空间。

在二十世纪以前的整个科学发展过程中，为了企图根据机械观去理解自然现象，必须引入许多虚假的物质，如引入电流体、磁流体、光微粒、以太等。其结果只是把所有的困难集中在主要的几点上，例如光学现象中的以太即其一例。这里所有想简单地构成以太学说的企图都没有成功，再加上别的反对意见，于是我们觉得，错误的根源似乎在根本假设上，即我们不应该认为可以用机械观解释一切自然现象。科学未能彻底实现机械观的预言，现在已经没有一个物理学家再相信它有实现的可能了。P87

在光学中我们赞成光的波动说，而反对光的微粒说。波在由彼此间有机械力相互作用着的粒子所组成的介质中传播，这显然是一种力学上的概念。但是传播光的是一种什么介质而它的力学性质又是怎样的呢？在这个问题没有解答出以前，要把光学现象归结为力学现象是没有希望的。但是解决这个问题的困难大得很，以致我们不得不放弃它，因而也不得不放弃机械观。P88

这又是在想象中把法拉第实验中的线圈缩成一点所做的一个理想实验。

这样，要有两个重要的步骤导致麦克斯韦方程的成立，第一，必须使奥斯特和罗兰的实验中，围绕电流及变化的电场周围的磁场的闭合力线缩成一点；必须使法拉第的实验中，围绕变化的磁场周围的电场的闭合力线缩成一点。第二，是把场看成实在的东西；一旦产生了电磁场，必须按照麦克斯韦定律而存在、作用和变化。

麦克斯韦方程是描述电磁场的结构的。这些定律的描述对象是整个空间，不象力学定律那样，只以物体或带电体所在的一些点为描述的对象。P104

在麦克斯韦的理论中，根本没有这种具体的演员。这个理论的数学方程表出了电磁场的定律。它们不象牛顿定律中那样联系两个相隔很远的事件，它们不是把此处所发生的的事情跟彼处的条件联系起来。此处的与现在的场只与最邻近的以及刚过去的场发生关系。假使我们知道此处和现在所发生的事件，这些方程便可以帮助我们预测在空间上稍为远一些，在时间上稍为迟一些会发生什么。它们能使我们用一些小步骤来增加场的知识。把这些小步骤加起来，我们便可以由远处所发生的事件推出此处所发生的事件。牛顿的理论恰恰相反，它只允许把距离很远的事件联系起来的大步骤。奥斯特和法拉第的实验都可以从麦克斯韦的理论中推导出来，但是只能用把一些小步骤总加起来的办法，而每一个小步骤都是由麦克斯韦方程确定的。P105

在最初，场的概念不过是作为我们便于从力学的观点去理解现象的一种工具。新的场的语言不是对带电体本身而是对带电体间的场的描述；场的描述对了解带电体的作用很重要。对于这种新概念的认识是逐渐成长起来的，到后来，场竟把物质也掩蔽起来了。于是大家觉得在物理学中发生了某种非常重要的事件。一种新的实在产生了，一种在机械观中没有地位的新概念产生了。场的概念经过一番奋斗逐渐地在物理学中取得了领导地位，而至今还是基本的物理概念之一。在一个现代的物理学家看来，电磁场正和他所坐的椅子一样地实在。

例如，在目前情况下，我们仍然可以在麦克斯韦的理论中找到带电体的概念，不过这里只把带电体看作电场的源而已。P109

现在唯一的出路，便是认定空间具有一种发送电磁波的物理性能，而不过分顾虑这句话有何真正意义。我们仍然可以用以太这个字，但它只表示空间的一些物理性质。以太这个字的涵义在科学的发展过程中已经改变了很多次。在目前它已不再是由微粒组成的介质了。它的故事绝对没有结束，还要用相对论继续讲下去。P110

“好的”坐标系就是力学定律在其中有效的坐标系，称为惯性系。究竟是否存在一个惯性系的问题，直到现在还无法决定。P114

于是出现了一次在科学史中最令人注目的局势。所有以太的假设都一无是处！实验的判决总是否定的。回顾一下物理学的发展，我们看到以太自出生以来便是具体物质这个家族中的一个顽童。第一，构成一个以太的简单的力学模型已被证明是不可能的，因此我们把这个工作放弃了。由于这个原因，在很大程度上引起了机械观的崩溃。第二，我们已经放弃了依靠以太海的存在从而可以特别定出一个坐标系使我们承认不但有相对运动而且还有绝对运动的希望。除了以太能把波带走的假说以外，这就是显示和支持以太存在的唯一假设了。我们想使以太称为实在的东西的一切努力都失败了。它既不显示它的力学结构，又不显示绝对运动。除了发明以太时所赋予它的一种性质，即传播电磁波的能力以外，其他任何性质都没有了。我们力图发现以太的性质，但一切努力都引起了困难和矛盾。经历这么多的失败之后，现在应该是完全丢开以太的时候了，以后再也不要提起它的名字了。我们说：我们的空间有传播波的物理性质，这样便不必再用我们已决定避免的这个名字。

在我们的字典中勾销一个字自然是无补于事的。要这样去解决，我们的困难实在太多了！

我们现在把已经被实验充分地确认了的论据写下来，而不再顾虑“以太”问题。

1.光在空中的速度永远为标准值，它与光源及光的接受者的运动无关。

2.在两个相对作匀速直线运动的坐标系中，所有的自然定律都是完全等同的，因而无法分辨出绝对的匀速直线运动。

有许多实验确认了这两点，没有一个实验跟其中任一点矛盾。第一点表示光速的不变性，第二点把应用于力学现象的伽利略相对性原理推广到一切自然现象中。

在力学中，我们已经知道，假如一个质点对于一个坐标系的速度是若干，那么它在另一个对第一个坐标系作匀速直线运动的坐标系中的速度就不相同。这是根据简单的力学转换原理推出来的。它们是直接从我们的直观（一个人相对于船和岸运动的例子）中得来的，因而显然不会有什么错误。但是这个转换定律跟光速的不变性是矛盾的。换句话说，我们得添上第三个原理。

3.位置与速度是根据经典转换从一个惯性系转换到另一个惯性系的。

于是，矛盾就很明显了，我们不能把上述三点结合在一起。

任何对经典转换加以改变的企图看来是不可能的。我们已经设法改变过第一点和第二点，但与实验不相一致。关于“以太”的所有运动理论都要求更改第一点和第二点，但这没有带来任何好处。我们再一次认识到我们的困难的严重性。必须有新的线索来谋求解决。这个线索是接受第一和第二点的基本假定，而看来奇怪得很，要放弃第三点。这个新线索是从分析最基本和最简单的概念开始的。我们将要表明这个分析如何迫使我们改变我们的旧观点从而解除了所有的困难。P129

在这里，跟科学工作中常常所做的一样，需要把自己的根深蒂固的、常常未经评判便加以接受的偏见除掉。P130

在经典力学中，我们默认了一个运动的钟不会改变步调。这似乎太明白了，简直不值得再提起它了。但是没有一件事情应该认为是十分明白的；假如我们要做得认真些、谨慎些，那么必须分析一直已经承认了的一切假设。P135

从相对论的观点看来，旧概念似乎是很武断的。为什么要象前几页中所说的那样，相信对于所有的坐标系中的一切观察者都是以同样的方式流逝的那种绝对时间呢？为什么要相信距离是不可能变的呢？P136

从相对论中发展出来的另外的科学成就表明，不应当把这个新的概念看作是不得已才接受的东西，因为这个理论的功绩是非常显著的。P137

空间有空间的转换定律，但是时间却没有转换定律，因为时间在所有的坐标系中都是相同的。可是在相对论中却不同了。对于空间、时间和速度都有跟经典转换不同的转换定律。P138

在经典力学中，一个既定物体的抗力总是不变的，它仅由物体的质量来决定。在相对论中它不仅与静止质量有关并且与速度也有关。当速度接近光速时，抗力便称为无限大。P143

相对论从它的基本假设出发，对这个问题推论出一个明白而确切的答案，而且是一个定量性质的答案：所有的能都会抵抗运动的改变；所有的能的行为都和物质的一样；一块铁在炽热时称起来比冷却时要重一些；从太阳发射出来的通过空间的辐射含有能，因此也有质量；太阳与所有发出辐射的星体，都由于发出辐射而失去质量。

现在只用一个守恒定律，即质量-能量守恒定律，而不用两个守恒定律了。P145

旧的能与物质之间的关系是相对论的第二个祭品。第一个祭品是传播光波的介质。P146

根据相对论，石子跟地面相碰的时间在所有的观察者看来不会是一样的。在两个不同的坐标系中，时间坐标和空间坐标都是不相同的，并且如果两个坐标系的相对速度接近光速，则时间坐标的变化将十分明显。二维连续区不能象在经典物理学中那样分解为两个一维连续区。在决定另一个坐标系中的时-空坐标时，我们不能把空间和时间分开来考察。从相对论的观点看来，把二维连续区分解为两个一维连续区，似乎是一种没有客观意义的武断的方法。P152

现在还有一个论点等待我们去澄清。有一个最基本的问题尚未解决：是不是存在着一个惯性系呢？我们对于自然界的定律，对于它们对洛伦兹转换的不变性，以及对于它们在所有互作匀速直线运动的惯性系中的有效性都已略有所知。我们有了定律，但是我们还不知道它们所参照的是哪一个框架。

为了使我们更加明白这个问题的困难，我们且访问一位经典物理学家，与他讨论几个简单的问题：

“惯性系是什么？”

“它是力学定律在其中行之有效的一个坐标系。在这样的一个坐标系中，一个没有受外力作用的物体总是作匀速直线运动的。这种性质使我们能把惯性坐标系和其他任何坐标系区别开来。”

“但是所谓没有力作用于物体上，究竟是什么意思呢？”

“这只是说物体在惯性坐标系中作匀速直线运动。”

于是我们又可以再问一次：“惯性坐标系是什么？”但是由于很少有希望得到一个与上不同的答案，我们不如把问题改变一下，或许可以得到一些具体的知识。

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