愛因斯坦奇跡年：改變物理學(xué)面貌的五篇論文

　　本書由美國波士頓大學(xué)愛因斯坦研究中心主任施塔赫爾主編并詳撰導(dǎo)言。書中匯編了愛因斯坦改變物理學(xué)面貌的5篇經(jīng)典性論文，并對每篇論文做出了背景說明、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·彭羅斯撰寫的序言。本書對于了解愛因斯坦在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。：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：出版說明：本書收錄的愛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。英文版無索引，中文版亦不再另編。凡此種種，皆敬請讀者注意。：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：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，從而引起人們早就熟悉的。無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)在都已通過觀測得到確認(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，在我們對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)形得來的某種觀點(diǎn)。此外，在我們洞察自然界時(shí)開始重視數(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)可以如何通過其組分粒子間的力和這些力引起的加速度來理解。19世紀(jì)給我們帶來了第三次革命，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，這些場同粒子一樣實(shí)在。這些場結(jié)合為一種無所不在的、稱之為電磁場的單一的實(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·愛因斯坦（AlbertEinstein）——對自然界的運(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)，愛因斯坦通過他的論測定分子大小的博士論文和他對布朗運(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識。僅僅是后一種分析就使得愛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。本書把愛因斯坦在那個(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論的論文：第一篇發(fā)動(dòng)了“相對論”革命，現(xiàn)在這對物理學(xué)家是非常熟悉的了（而且也為一般公眾所了解），在這場革命中廢除了絕對時(shí)間的概念（論文3）；第二篇是一篇短文，其中推導(dǎo)出了愛因斯坦的著名公式“E＝mc2”（論文4）。最后，是（惟一）一篇愛因斯坦自己實(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：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：請讀片斷：……著，這速度同發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(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@里所要闡明的見解，既不需要引進(jìn)一個(gè)具有特殊性質(zhì)的“絕對靜止的空間”，也不需要給發(fā)生電磁過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)鐘和電磁過程之間的關(guān)系。對這種情況考慮不足，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)相對于這個(gè)坐標(biāo)系是靜止的，那末它相對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定出，并且能用笛卡兒坐標(biāo)來表示。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，“那列火車7點(diǎn)鐘到達(dá)這里”，這大概是說：“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)教授和愛因斯坦研究中心主任，《阿爾伯特·愛因斯坦文集》的主編。