愛(ài)因斯坦奇跡年：改變物理學(xué)面貌的五篇論文

　　本書(shū)由美國(guó)波士頓大學(xué)愛(ài)因斯坦研究中心主任施塔赫爾主編并詳撰導(dǎo)言。書(shū)中匯編了愛(ài)因斯坦改變物理學(xué)面貌的5篇經(jīng)典性論文，并對(duì)每篇論文做出了背景說(shuō)明、加上編者注，卷首則冠以當(dāng)代數(shù)學(xué)、理論物理學(xué)名家羅杰·彭羅斯撰寫(xiě)的序言。本書(shū)對(duì)于了解愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初的原始思想及其如何改變物理學(xué)的面貌，不僅有很高的文獻(xiàn)價(jià)值，而且還有更為深刻的啟迪作用。：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：出版說(shuō)明：本書(shū)收錄的愛(ài)因斯坦五篇原始論文系現(xiàn)代物理學(xué)的經(jīng)典之作。英文版盡可能保留了原著風(fēng)貌，舉凡原著疏漏、錯(cuò)誤之處，排印時(shí)一律照舊，同時(shí)編者又逐一加注予以說(shuō)明。中文版仍沿用英文版的風(fēng)格、體例，包括公式的排印格式、外文字母的正斜體。計(jì)量單位的使用等，均維持原狀，而不做技術(shù)性的改動(dòng)。例如，原文中諸如dx／dt之類一概用斜體，為保持經(jīng)典文獻(xiàn)原貌，中文版亦一仍其舊，而未擅改為dx／dt等等；又如，中文版能量單位照舊用爾格，而未改為焦。英文版無(wú)索引，中文版亦不再另編。凡此種種，皆敬請(qǐng)讀者注意。：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：前言：在20世紀(jì)，我們極其幸運(yùn)地目睹了我們世界的物理圖象的兩次重大革命。第一次革命推翻了我們的空間和時(shí)間觀，把兩者結(jié)合為我們現(xiàn)在稱之為時(shí)空的東西，人們發(fā)現(xiàn)這種時(shí)空以一種微妙的方式彎曲著，從而引起人們?cè)缇褪煜さ?。無(wú)處不在而又神秘的引力現(xiàn)象。第二次革命完全改變了我們理解物質(zhì)和輻射本性的方式，給了我們一種實(shí)在的圖象，其中粒子的行為像是波，而波的行為像是粒子，我們通常的物理學(xué)描述變得具有本質(zhì)上的不確定性，而一個(gè)物體可以同時(shí)在幾個(gè)地方呈現(xiàn)其自已。我們用“相對(duì)論”一詞概括第一次革命，而用“量子論”概括第二次革命。兩者現(xiàn)在都已通過(guò)觀測(cè)得到確認(rèn)，其達(dá)到的精確度在科學(xué)史上乃是空前的。我認(rèn)為，公正地說(shuō)，在我們對(duì)物理世界的理解方面以前只有三次革命可以真正與它們相比。關(guān)于那三次革命中的第一次，我們必須回到古希臘時(shí)代，當(dāng)時(shí)引進(jìn)了歐幾里得幾何學(xué)的觀念以及從剛體和靜止構(gòu)形得來(lái)的某種觀點(diǎn)。此外，在我們洞察自然界時(shí)開(kāi)始重視數(shù)學(xué)推理的關(guān)鍵性作用。關(guān)于那三次革命中的第二次，我們必須跳到門(mén)世紀(jì)，當(dāng)時(shí)伽利略（Galileo）和牛頓（I．Newton）告訴我們，有質(zhì)體的運(yùn)動(dòng)可以如何通過(guò)其組分粒子間的力和這些力引起的加速度來(lái)理解。19世紀(jì)給我們帶來(lái)了第三次革命，當(dāng)時(shí)法拉第（M．Faraday）和麥克斯韋（J．C．Maxwell）告訴我們，僅僅粒子是不夠的，我們還必須考慮彌漫在空間中的連續(xù)的場(chǎng)，這些場(chǎng)同粒子一樣實(shí)在。這些場(chǎng)結(jié)合為一種無(wú)所不在的、稱之為電磁場(chǎng)的單一的實(shí)體，而光的行為可以用其自身傳播的振蕩作出美妙的解釋?，F(xiàn)在回到我們眼前的這個(gè)世紀(jì)，特別令人驚奇的是一位物理學(xué)家——阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein）——對(duì)自然界的運(yùn)作有如此非凡的洞察力，以至于他在1905年這一年中就為20世紀(jì)的這兩次革命奠定了基礎(chǔ)。不僅如此，在同一年內(nèi)，愛(ài)因斯坦通過(guò)他的論測(cè)定分子大小的博士論文和他對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)本性的分析，還為其他兩個(gè)領(lǐng)域提供了具有根本性的新見(jiàn)識(shí)。僅僅是后一種分析就使得愛(ài)因斯坦在歷史上占有一席之地。確實(shí)，他關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的工作［同斯莫盧霍夫斯基（Smoluchowski）作出的獨(dú)立而又平行的工作一道］為重要的統(tǒng)計(jì)理解奠定了基礎(chǔ)，這在許多其他領(lǐng)域都有巨大的意義。本書(shū)把愛(ài)因斯坦在那個(gè)非凡之年發(fā)表的五篇論文收集在一起。開(kāi)頭是一篇論及分子大小的論文（論文1），接著是一篇關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文（論文2）。然后是兩篇狹義相對(duì)論的論文：第一篇發(fā)動(dòng)了“相對(duì)論”革命，現(xiàn)在這對(duì)物理學(xué)家是非常熟悉的了（而且也為一般公眾所了解），在這場(chǎng)革命中廢除了絕對(duì)時(shí)間的概念（論文3）；第二篇是一篇短文，其中推導(dǎo)出了愛(ài)因斯坦的著名公式“E＝mc2”（論文4）。最后，是（惟一）一篇愛(ài)因斯坦自己實(shí)際上稱其為“革命性的”論文，它論證在某種意義上，我們必須回到：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：請(qǐng)讀片斷：……著，這速度同發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。由這兩條公設(shè)，根據(jù)靜體的麥克斯韋理論，就足以得到一個(gè)簡(jiǎn)單而又不自相矛盾的動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)。“光以太”的引人將被證明是多余的，因?yàn)榘凑者@里所要闡明的見(jiàn)解，既不需要引進(jìn)一個(gè)具有特殊性質(zhì)的“絕對(duì)靜止的空間”，也不需要給發(fā)生電磁過(guò)程的空虛空間中的每個(gè)點(diǎn)規(guī)定一個(gè)速度矢量。這里所要闡明的理論——像其他各種電動(dòng)力學(xué)一樣——是以剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)為根據(jù)的，因?yàn)槿魏芜@種理論所講的，都是關(guān)于剛體（坐標(biāo)系）、時(shí)鐘和電磁過(guò)程之間的關(guān)系。對(duì)這種情況考慮不足，就是動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)目前所必須克服的那些困難的根源。A．運(yùn)動(dòng)學(xué)部分1．同時(shí)性的定義設(shè)有一個(gè)牛頓力學(xué)方程在其中有效的坐標(biāo)系。為了使我們的陳述比較嚴(yán)謹(jǐn)，并且便于將這坐標(biāo)系同以后要引進(jìn)來(lái)的別的坐標(biāo)系在字面上加以區(qū)別，我們叫它“靜系”。如果一個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于這個(gè)坐標(biāo)系是靜止的，那末它相對(duì)于后者的位置就能夠用剛性的量桿按照歐幾里得幾何的方法來(lái)定出，并且能用笛卡兒坐標(biāo)來(lái)表示。如果我們要描述一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，我們就以時(shí)間的函數(shù)來(lái)給出它的坐標(biāo)值?，F(xiàn)在我們必須記住，這樣的數(shù)學(xué)描述，只有在我們十分清楚地懂得“時(shí)間”在這里指的是什么之后才有物理意義。我們應(yīng)當(dāng)考慮到：凡是時(shí)間在里面起作用的我們的一切判斷，總是關(guān)于同時(shí)的事件的判斷。比如我說(shuō)，“那列火車(chē)7點(diǎn)鐘到達(dá)這里”，這大概是說(shuō)：“我的鐘的短針指到7同……

　　約翰·施塔赫爾，波士頓大學(xué)物理學(xué)教授和愛(ài)因斯坦研究中心主任，《阿爾伯特·愛(ài)因斯坦文集》的主編。