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附录 2.1 狭义相对论简史

狭义相对论在1905年由爱因斯坦提出，如今已经成为现代物理学的基石．狭义相对论来源于 19 世纪对电磁学的研究．可以说麦克斯韦理论对电学、磁学和光学的统一导致了狭义相对论的诞生。洛伦兹自 1890 年开始对电动力学的研究为狭义相对论奠定了基础，而庞加莱等人也做出了重要的贡献，但最终是爱因斯坦成功地建立了狭义相对论．

爱因斯坦在1905年发表的论文题目是＂论运动物体的电动力学＂．当爱因斯坦思考麦克斯韦方程组并非相对论性不变时，实际上面临几个选择：
（1）麦克斯韦理论是不正确的，因为它并非伽利略相对性不变，而正确电磁理论应该在伽利略变换下保持形式不变．如果取这种观点，伽利略变换有无上的地位．
（2）伽利略相对性原理只适用于经典力学，而麦克斯韦理论有一个特殊的参考系，在其中以太是静止的．
（3）存在一个对经典力学和电磁理论都适用的相对性原理，但显然不是伽利略相对性原理．如果是这样，在新的相对性理论中，不同的参考系中麦克斯韦理论保持形式不变．当然，这意味着原有力学体系需要适当的修改．

第一个可能性很难被人接受，因为麦克斯韦理论取得了空前的成功．随着电磁波的广泛应用，很难想象麦克斯韦理论是错误的。因此第二个观点在 19 世纪末和 20 世纪初是流行的观点，大家普遍接受以太的存在。然而迈克耳孙－莫雷实验证实了光的传播速度是不变的，这对以太理论提出了挑战．菲茨杰拉德和洛伦兹提出了一个猜测：在以太中运动的物体在运动方向上会收缩，即

$$
L(v)=L_0\left(1-\frac{v^2}{2 c^2}\right)
$$

这样就可以解释迈克耳孙－莫雷实验 ${ }^{(7)}$ 。这个猜测看起来不在麦克斯韦理论中。然而，洛伦兹和庞加莱证明，麦克斯韦理论在洛伦兹变换 ${ }^{(8)}$ 下不变，而上面的尺度收缩对于运动电荷密度成立．因此洛伦兹认为尺度收缩实际上扎根于电动力学中．随着电子的发现，洛伦兹认为由于所有物质本质上都是电磁的，所以即使是对宏观物体，这一收缩也成立，这似乎成功地挽救了以太理论。然而，其他的一些实验继续困扰着以太理论。其中一个是著名的菲佐实验 $(1851,1853)$ ，即测量在运动流体中的光速。迈克耳孙和莫雷在 1886 年也做了类似的实验。实验结果表明，如果以太理论是对的，则以太必须部分地被流体拖曳，而且拖曳的效果与流体的折射率有关，净光速为

$$
c^{\prime}=\frac{c}{n}+v\left(1-\frac{1}{n^2}\right),
$$

其中 $n$ 是液体折射率（假设液体无色散），$v$ 是流体的速度．这个公式最早被菲涅耳 （Fresnel）预言， $1-1 / n^2$ 因子称为菲涅耳曳引因子．菲涅耳假定了光经过以太激起弹性振动，因此被以太部分地拖住了。而另一个著名的实验是光行差效应，这在前面已经讨论过了。为了解释这个效应，菲涅耳在1818年引进了绝对静止以太的概念。可以说，在爱因斯坦提出狭义相对论之前，在以太理论框架下解释这些实验看起来都不令人满意。

爱因斯坦在提出狭义相对论的过程中，主要受到光行差效应，特别是菲佐实验的影响 ${ }^{(9)}$ 。他认为上面的第三种可能性才是解决问题的根本。他坚信麦克斯韦理论是正确的，由此发展了狭义相对论。他提出的狭义相对论简洁漂亮地解决了上面的问题。从现有的文献看，他对迈克耳孙－莫雷实验有一定的了解，但这不是他提出狭义相对论的主要驱动力。他对洛伦兹 1895 年前的工作比较熟悉，并深受洛伦兹 1895 年工作的影响，但并不了解洛伦兹变换．实际上，他在狭义相对论的发展中发明了洛伦兹变换．

1921 年，狭义相对论还没有被广泛接受，当爱因斯坦在普林斯顿访问时，传闻有人发现了以太的非零漂移．爱因斯坦评论说：＂上帝是微妙的，但不怀恶意．＂

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