六、究竟是谁创建了相对论

在相对论诞生之前，已经有许多科学家做了大量铺垫工作，特别是电磁学权威、荷兰物理学家洛伦兹，法国数学大师庞加莱和奥地利物理学家、哲学家马赫，现在我们就来介绍一下他们的工作和贡献。

洛伦兹等人的贡献与局限

大家都知道，在相对论诞生之前，学术界就出现了洛伦兹收缩和洛伦兹变换，这两个公式在相对论中继续运用，而且十分重要。

洛伦兹是1892年提出洛伦兹收缩公式的。但是爱尔兰物理学家斐兹杰惹声称这个公式是他首先提出的，他从1889年就开始在课堂上讲授这一公式，他的学生们也证实了这一点。然而学术界看到的他给出这一公式的最早论文发表在1893年。所以大家仍然认为这件工作应该首先归功于洛伦兹。斐兹杰惹去世之后，他的一些学生想为老师讨还公道，就去查阅各种资料。他们注意到老师曾给英国的《科学》杂志投过这方面的稿，但这个杂志没过多久就停刊了，斐兹杰惹认为自己的论文没有登出来。但是他的学生不肯罢休，就去查阅此杂志，终于发现该杂志在停刊前的倒数第二期上登出了这篇论文，时间是1889年，比洛伦兹发表的论文要早。斐兹杰惹的学生们大喜过望，终于为老师讨还了公道。所以今天，洛伦兹收缩的正式名称改成了“洛伦兹-斐兹杰惹收缩”，也有人认为应该称“斐兹杰惹-洛伦兹收缩”。

1904年，洛伦兹提出了洛伦兹变换，这一发现很快就传遍学术界。然而，研究表明，最早提出这一变换的人还不是洛伦兹。1887年，佛格特就提出了一个与洛伦兹变换相似但又有误的变换，佛格特变换的每一项都比洛伦兹变换多了一个因子。据说洛伦兹知道他的变换，但未特别注意。正确的变换公式是1898年英国物理学家拉摩首先给出的。据说斐兹杰惹也在洛伦兹之前给出了这一变换。但是佛格特、拉摩和斐兹杰惹的有关工作都没有在学术界广泛传播，真正造成巨大影响的是洛伦兹的工作。

尽管有不少人的成果发表在洛伦兹的成果之前，但真正对洛伦兹收缩和洛伦兹变换做过比较深入探讨和广泛传播的肯定是洛伦兹本人。

此外，洛伦兹还在1904年首先提出了质量公式［式（1.17）］，这个公式后来也为爱因斯坦的相对论所沿用。

庞加莱的贡献与局限

数学大师庞加莱据说是一位无所不能的多面手，他的研究工作广泛深入数学、物理和哲学的各个领域，他写的《科学与假设》等高级科普读物对年轻人有极大影响。

庞加莱否认存在绝对空间，坚持相对性原理，认为相对性原理不仅适用于力学，也肯定适用于电磁学。他对洛伦兹放弃相对性原理的做法进行了批评。而且，相对性原理最正确的表述，也是庞加莱首先给出的。

庞加莱推测真空中的光速是一个常数，而且可能是极限速度。他认为要想校准固定于不同地点的时钟，从而定义全空间的统一时间，必须约定光速各向同性，即两点间的往返光速相同。这对爱因斯坦创建相对论有很大的启发。

庞加莱的缺点是在放弃绝对空间的同时，没有放弃以太。实际上，承认存在以太就相当于承认存在一个优越参考系，即以太参考系。所以虽然庞加莱理论上坚持相对性原理，但承认以太参考系的存在，使他不能彻底坚持这一原理。爱因斯坦和他的朋友们在奥林匹亚科学院的活动中，曾经阅读并热烈讨论过庞加莱的《科学与假设》和《时间的测量》等书和短文。这一点是爱因斯坦的朋友们谈到的，爱因斯坦本人没有谈到这一点。实际上庞加莱的许多论述对爱因斯坦影响很大，在他的相对论论文中很容易看出庞加莱对他的影响。爱因斯坦后来之所以不谈庞加莱的影响，可能与庞加莱对他的工作评价不高有关。

爱因斯坦一开始对庞加莱寄予很大希望，希望这位数学大师能够支持他的相对论。爱因斯坦与庞加莱只见过一次面，那是在一次索尔维会议上。会后爱因斯坦很失望，对他的朋友们说“庞加莱根本不懂相对论”。

庞加莱对相对论从来没有表示过赞同。在他应苏黎世联邦理工学院之邀，对爱因斯坦申请教授职位发表意见的信中写道：“爱因斯坦先生是我所知道的最有创造思想的人物之一，尽管他还很年轻，但已经在当代第一流科学家中享有崇高的地位。……不过，我想说，并不是他的所有期待都能在实验成为可能的时候经得住检验。相反，因为他在不同方向上探索，我们应该想到他所走的路，大多数都是死胡同；不过，我们同时也应该希望，他所指的方向中会有一个是正确的，这就足够了。”

写完这封信不久，庞加莱就去世了。

但是历史与这位数学大师开了个很大的玩笑，爱因斯坦在1905年前后的工作全部都是正确而且重要的。

马赫的贡献与局限

奥地利物理学家马赫对物理学的具体贡献并不大，比较著名的是他在声学领域提出了“马赫数”的概念。一个飞行器的飞行速度达到声速的几倍，就说它的马赫数是几。

马赫最大的贡献是他从科学哲学的角度对“祖师爷”进行了批判。他公然否定牛顿关于绝对空间和绝对运动的观点，认为根本就不存在绝对空间，也不存在以太，一切运动都是相对的。

在奥林匹亚科学院的活动中，爱因斯坦和他的朋友们一起研读过马赫的《力学及其发展的历史批判概论》。爱因斯坦对马赫的著作赞不绝口。他认为马赫说得太对了，根本不存在什么绝对空间，也不存在以太，一切运动都是相对的。马赫的思想，直接把爱因斯坦引向了建立狭义相对论的正确道路。

后来，马赫对牛顿论证惯性起源的水桶实验的批判，又引导爱因斯坦提出了等效原理，并最终建立起广义相对论。

相对论发表之后，爱因斯坦高度赞扬马赫思想对自己的启发和引导。爱因斯坦认为马赫和他的思想太伟大了，正是受他的启发，自己才创建起狭义和广义相对论。他认为自己的相对论中包含了马赫的思想。

但是马赫不同意爱因斯坦的看法，他认为自己的思想与相对论毫无共同之处，表示自己坚决拒绝爱因斯坦的相对论。

他说完这些话不久就病死了。这真是大煞风景的一件事。

不过，仔细分析爱因斯坦创建相对论的过程，可以看出马赫确实对他影响极大，马赫的思想确实起了引导他创建相对论的作用。马赫真的功不可没。

但是相对论也确实与马赫的思想不完全一致。后来的一些物理学家也指出了马赫原理与相对论有矛盾，并尝试创建完全符合马赫原理的物理理论，例如布兰斯和迪克的标量-张量理论。但是，天文观测并不支持布兰斯和迪克的标量-张量理论，而仍然支持爱因斯坦的相对论。

应该认为，马赫的思想确实对爱因斯坦创建相对论产生了巨大的启发作用，马赫的哲学分析给爱因斯坦指出了通向相对论的桥梁。

爱因斯坦——相对论的唯一创建者

洛伦兹、庞加莱和马赫等人为相对论的创立做了很多前期的铺垫工作，但是相对论的创建者只有一个人，那就是爱因斯坦。

这是因为：

① 爱因斯坦最彻底地坚持了相对性原理，他在抛弃绝对空间的同时，也抛弃了以太；

② 他提出了光速不变原理，并指出了同时的相对性，从而抛弃了同时的绝对性，抛弃了绝对时间观；

③ 他明确提出相对论是一个关于时间与空间的理论，认识到时空是一个不可分割的整体；

④ 他以欧几里得的《几何原本》为样板，公理化地提出了完整的狭义相对论。

爱因斯坦强调，他的相对论与牛顿经典物理学的分水岭不是相对性原理，而是光速不变原理。

关于光速不变原理，笔者这里想多解释几句。

西方的著作中谈论的不是光速不变原理，而是光速恒定性原理，它包含以下两点。

① 在同一个惯性系中约定（或者说“规定”）真空中的光速点各向同性（甚至是一个常数），从而校准空间中各点的钟，在全空间定义统一的时间。

（应该说明，这一点是庞加莱首先提出的，但他没有写出具体如何操作。爱因斯坦在他的《论动体的电动力学》这篇创建相对论的论文中进行了具体论述。）

② 假定“光速与光源相对于观测者的运动速度无关”。

（这第二点才是我们通常所说的光速不变原理，才是爱因斯坦最重要的原创。）

承认光速不变原理必定导致同时的相对性，这两个概念是相对论中最难懂、最不好理解的物理内容。正是光速不变原理和同时的相对性彻底改变了人类的时空观，让人类彻底抛弃了绝对空间和绝对时间。

同时的相对性最让人难以接受。在爱因斯坦之前，庞加莱和其他物理学家均未谈论过同时的相对性。这也表明，他们并未认识到光速不变原理。

杨振宁先生曾有过以下评论：

洛伦兹只有近距离的眼光，没有远距离的眼光（笔者注：洛伦兹只重视解释实验和观测结果，局部修改物理理论，而不从哲学角度考虑）；庞加莱只有远距离的眼光，没有近距离的眼光（笔者注：庞加莱只从哲学和数学的角度来考虑问题，不从实验和测量的角度考虑）；爱因斯坦有自由的眼光，既近距离又远距离地观察问题（笔者注：既重视实验和观测，又注重哲学探讨，例如在奥林匹亚科学院阅读讨论过马赫和庞加莱等人的著作）。