愛因斯坦奇跡年：改變物理學面貌的五篇論文

　　本書由美國波士頓大學愛因斯坦研究中心主任施塔赫爾主編并詳撰導言。書中匯編了愛因斯坦改變物理學面貌的5篇經典性論文，并對每篇論文做出了背景說明、加上編者注，卷首則冠以當代數(shù)學、理論物理學名家羅杰·彭羅斯撰寫的序言。本書對于了解愛因斯坦在20世紀初的原始思想及其如何改變物理學的面貌，不僅有很高的文獻價值，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)代物理學的經典之作。英文版盡可能保留了原著風貌，舉凡原著疏漏、錯誤之處，排印時一律照舊，同時編者又逐一加注予以說明。中文版仍沿用英文版的風格、體例，包括公式的排印格式、外文字母的正斜體。計量單位的使用等，均維持原狀，而不做技術性的改動。例如，原文中諸如dx／dt之類一概用斜體，為保持經典文獻原貌，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，我們極其幸運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間觀，把兩者結合為我們現(xiàn)在稱之為時空的東西，人們發(fā)現(xiàn)這種時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和輻射本性的方式，給了我們一種實在的圖象，其中粒子的行為像是波，而波的行為像是粒子，我們通常的物理學描述變得具有本質上的不確定性，而一個物體可以同時在幾個地方呈現(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，其達到的精確度在科學史上乃是空前的。我認為，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。關于那三次革命中的第一次，我們必須回到古希臘時代，當時引進了歐幾里得幾何學的觀念以及從剛體和靜止構形得來的某種觀點。此外，在我們洞察自然界時開始重視數(shù)學推理的關鍵性作用。關于那三次革命中的第二次，我們必須跳到門世紀，當時伽利略（Galileo）和牛頓（I．Newton）告訴我們，有質體的運動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世紀給我們帶來了第三次革命，當時法拉第（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在。這些場結合為一種無所不在的、稱之為電磁場的單一的實體，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世紀，特別令人驚奇的是一位物理學家——阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein）——對自然界的運作有如此非凡的洞察力，以至于他在1905年這一年中就為20世紀的這兩次革命奠定了基礎。不僅如此，在同一年內，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動本性的分析，還為其他兩個領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，他關于布朗運動的工作［同斯莫盧霍夫斯基（Smoluchowski）作出的獨立而又平行的工作一道］為重要的統(tǒng)計理解奠定了基礎，這在許多其他領域都有巨大的意義。本書把愛因斯坦在那個非凡之年發(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），接著是一篇關于布朗運動的論文（論文2）。然后是兩篇狹義相對論的論文：第一篇發(fā)動了“相對論”革命，現(xiàn)在這對物理學家是非常熟悉的了（而且也為一般公眾所了解），在這場革命中廢除了絕對時間的概念（論文3）；第二篇是一篇短文，其中推導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)射體的運動狀態(tài)無關。由這兩條公設，根據(jù)靜體的麥克斯韋理論，就足以得到一個簡單而又不自相矛盾的動體電動力學。“光以太”的引人將被證明是多余的，因為按照這里所要闡明的見解，既不需要引進一個具有特殊性質的“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點規(guī)定一個速度矢量。這里所要闡明的理論——像其他各種電動力學一樣——是以剛體的運動學為根據(jù)的，因為任何這種理論所講的，都是關于剛體（坐標系）、時鐘和電磁過程之間的關系。對這種情況考慮不足，就是動體電動力學目前所必須克服的那些困難的根源。A．運動學部分1．同時性的定義設有一個牛頓力學方程在其中有效的坐標系。為了使我們的陳述比較嚴謹，并且便于將這坐標系同以后要引進來的別的坐標系在字面上加以區(qū)別，我們叫它“靜系”。如果一個質點相對于這個坐標系是靜止的，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來表示。如果我們要描述一個質點的運動，我們就以時間的函數(shù)來給出它的坐標值?，F(xiàn)在我們必須記住，這樣的數(shù)學描述，只有在我們十分清楚地懂得“時間”在這里指的是什么之后才有物理意義。我們應當考慮到：凡是時間在里面起作用的我們的一切判斷，總是關于同時的事件的判斷。比如我說，“那列火車7點鐘到達這里”，這大概是說：“我的鐘的短針指到7同……

　　約翰·施塔赫爾，波士頓大學物理學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。