爱因斯坦论文赏析——论动体的电动力学

Lv.1量子泡沫

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1905年6月的伯尔尼，阿尔伯特·爱因斯坦推开专利局的木窗，晨风中飘荡着有轨电车的铃声。这位三级技术员在堆积如山的电磁装置设计图间隙，写下开篇第一句：”在静止物体麦克斯韦方程中不对称的现象，似乎并非自然固有的特性。”
这篇仅有9000词的论文，即将掀翻牛顿绝对时空观的王座……

1905年6月30日，德国《物理年鉴》发表了一篇看似不起眼的论文。

论文全文没有任何参考文献，却引发了当时以牛顿经典力学为主体的物理学界，一次最深刻、最彻底的变革。

爱因斯坦论文的“来时路”

爱因斯坦创作这篇惊骇世俗的论文，主要还是源自于当时物理学界的困境。

当时的物理学矛盾，可以说像恐怖片一样蔓延着。从黑体辐射和光电效应这“两朵乌云”开始，整个的谜团犹如泥土中错综复杂的树根一样展开，越往下深究，越不合常理。

当时物理学界的主要矛盾有：

黑体辐射引发的量子论：经典物理学的瑞利 – 金斯定律在解释黑体辐射的能量分布时，在高频部分出现了与实验结果严重不符的情况，即所谓的 “紫外灾难”。
经典电磁理论与光电效应：按照经典电磁理论，光的能量由光强决定，只要光强足够，任何频率的光都应该能使金属产生光电效应，且光电子的能量应该随光强增加而增加，与光的频率无关。但实验结果却是只有当光的频率大于一定阈值时，才会产生光电效应，且光电子的能量与光强无关，只与光的频率有关。
牛顿时空观与迈克尔逊·莫雷实验：经典的伽利略变换和牛顿的绝对时空观认为，物体的运动速度是相对的，与参考系的选择有关。然而，迈克尔逊 – 莫雷实验试图测量地球相对于以太运动时导致的光速变化，却得到了零结果，即光速在不同惯性参考系中似乎是不变的，这与经典时空观下的速度叠加原理相矛盾。
电磁学与惯性参考系：经典的相对性原理在力学领域取得了巨大成功，但在电磁学领域，麦克斯韦方程组在经典的伽利略变换下不满足相对性原理，即电磁规律在不同惯性系中似乎应该有所不同，这与人们对物理规律普遍性的认知相冲突。

除开黑体辐射外，所有的困难和谜团基本上可以归结为一句话：所有物理定律在不同惯性系中形式统一，唯独电磁学例外。

而整篇论文的创作萌芽，则是爱因斯坦在16岁时，一个“脑洞大开”的想法：如果我以光速骑在光束上前进，看到的光、或者说电磁波是不是静止的？如果不是，是什么样子的？

这个想法自从诞生在爱因斯坦的脑海里，就再也没有消散过，一直持续到了他26岁。26岁的爱因斯坦，终于在专利局，完成了这篇论文。

论文通篇大意解读

加上引言，论文全篇共3个部分、10个小标题。

本文会尽量避免使用过于复杂的公式和过于学术的词汇，仅当读者是一个没有物理基础（或基础不扎实）的爱好者，将每个部分的大意、爱因斯坦想表达的理论尽量白话式的表达出来，希望大家阅读的时候量力而行。

引言

爱因斯坦开篇直指经典电磁理论的致命缺陷 — — 运动导体的电磁感应现象在静止以太论中存在不对称性。

他举例移动磁体与静止线圈，或静止磁体与运动线圈会引发相同电流，但传统理论认为前者因磁场变化产生电场，后者仅因导体切割磁感线，这种解释不满足相对性原理。

一、运动学部分

1.同时的相对性

爱因斯坦在这个部分指出，当考虑不同地点事件的时间联系时，仅以某一地点的表来定义时间是不够的。

他这样定义同时：通过在空间不同点放置完全一样的钟，利用光往返的时间来规定不同地点的钟同步，即若光从 A 到 B 的时间等于从 B 到 A 的时间，则两只钟同步，进而获得 “同时” 和 “时间” 的定义，并把光在空虚空间中的速度定义为普适常数 c，由此定义的时间为 “静系时间”。

2.关于长度和时间的相对性

爱因斯坦通过设想一根静止和运动的刚性杆，分别用两种操作来确定运动杆的长度，一种是观察者与杆和量杆一起运动测量，另一种是观察者借助静系中同步的钟确定杆在静系中的位置来测量。通过对比，得出同时性概念不具有绝对意义，从不同坐标系看，同时的事件可能不再同时。

3.从静系到另一个相对于它作匀速移动的坐标系的坐标和时间的变换理论

此篇公式极多，篇幅较长。但可笼统概括如下：他通过在 “静止的” 空间中设有两个坐标系 K 和 k，k 相对于 K 以速度 v 沿 x 轴正方向运动。分别从静系 K 和动系 k 测量空间坐标，用静系中的钟和动系中相对静止的钟，通过光信号方法测定静系时间 t 和动系时间 τ。

爱因斯坦的目的是找出完全确定静系中一个事件的位置和时间与动系中对应值之间的变换关系。

4.关于运动刚体和运动时钟所得方程的物理意义

基于前面的变换理论，进一步讨论运动刚体和运动时钟相关方程的物理意义，得出动系中的钟在静系观察者看来会变慢，即时间膨胀效应；运动的杆在静系中沿运动方向的长度会收缩，即长度收缩效应等结论。

5.速度的加法定理

根据前面建立的坐标和时间变换关系，推导速度的加法定理，即当一个物体在两个相互匀速运动的坐标系中运动时，其速度之间的关系。

得出结论：速度的叠加不能简单地使用经典力学中的矢量相加法则，而是要遵循新的速度变换公式，且无论怎样叠加，速度都不会超过光速。

二、电动力学部分

6.关于空虚空间麦克斯韦 — 赫兹方程的变换。关于磁场中由运动所产生的电动力的本性

将前面运动学部分得到的洛伦兹变换应用到麦克斯韦 — 赫兹方程，讨论方程在不同惯性系中的形式变化，研究磁场中由运动所产生的电动力的本质。

爱因斯坦说明了这种电动力在不同参考系下的表现和与电场力的关系，揭示了电磁现象在不同运动状态下的相对性。

7.多普勒原理和光行差的理论

利用已有的理论和变换关系，推导多普勒原理和光行差的理论。解释了由于光源和观察者的相对运动，导致光的频率和方向发生变化的现象，给出了相应的计算公式和理论解释。

8.光线能量的变换。作用在完全反射镜上的辐射压力理论

探讨光线能量在不同惯性系中的变换情况，研究光辐射与物质相互作用时的辐射压力问题。根据相对论的原理（那时论文中还没有相对论这个说法）和相关变换，得出辐射压力等物理量在不同参考系下的表达式和规律。

9.考虑到运流的麦克斯韦 — 赫兹方程的变换

进一步考虑存在运流电流时麦克斯韦 — 赫兹方程的变换，分析运流电流在不同惯性系中的表现和对电磁场的影响，完善了动体电动力学中对各种电磁现象的描述和理论解释。

10.缓慢加速的电子的动力学

研究缓慢加速的电子的动力学行为，根据相对论的时空观和电磁理论，推导电子在加速过程中的运动方程和能量、动量等物理量的变化规律，为进一步研究微观粒子的相对论运动奠定基础。

论文对物理学界的影响

这篇论文用“名垂千史”来形容可以说绝不为过。

它变革了时空的观念，揭示了时间与空间的内在联系，使人们认识到时间和空间不再是绝对独立的，而是与物体的运动状态相关。

同时，他为描述高速运动物体的物理规律提供了新的理论框架，使人们对自然界的认识从经典力学的低速领域拓展到了高速领域。因此，这篇论文几乎可以说是狭义相对论的全文、广义相对论的摇篮。

正如普朗克1910年所言：“爱因斯坦的时空观使物理学基础发生了自牛顿以来最深刻的变革。”但故事的惊人之处在于，这篇论文竟只是爱因斯坦“奇迹年”五篇颠覆性论文中的一篇。今天，当我们用手机定位时，当医院进行PET检查时，当科学家探索黑洞时，都在叩响那个伯尔尼夏日的思想之门。爱因斯坦用绝对的理性思维，证明了宇宙本质上是非直观的诗篇，而这或许正是科学最美的悖论。