1905年 论运动物体的电动力学.doc

论运动物体的电动力学 A. Einstein 1905 06 30 众所周知，麦克斯韦的电动力学——正如现在通常理解的——当应用于运动物体时，会导致不对称，使之无法揭示现象的本质。比如，举个例子，磁体和导体的电动力学互易效应。在这里可观察的现象仅仅依赖于磁体和导体的相对运动。比如，如果磁体是运动的而导体是静止的，在磁体的周围会产生电场，伴随着某种确定的能量，在导体所在的地方就会形成电流。但是如果磁体是固定的而导体在运动，在磁体的周围不会有电场。然而，我们在导体中发现了电动势，虽然在其中并没有相应的能量来产生它，但是它会产生——假设所讨论的两种情况下的相对运动是相同的——和前一种情况下的电势所引起的相同路径和强度的电流。 这个例子，和想要发现地球相对于“光介质”的任何运动的失败尝试一起，表明电动力学现象和机械力学现象不同，并不具有与绝对静止观念相对应的性质。它们其实表明了，正如已被小电荷一级近似所揭示的，同样的电动力学和光学定律在所有的参照系中都成立，对于它们力学方程都仍然有效。我们将这个猜想（它的主旨后来被称作“相对性原理”）确立到基本假设的地位，并且同时引入另一个基本假设，它只是在表面上与前者矛盾，即，真空中的光速总是以确定的速度c传播，而与辐射物体的运动状态无关。这两条基本假设足够建立一个简单而一致的，并且基于麦克斯韦的固定物体理论的关于运动物体的电动力学理论。“光以太”的引入将被证明是多余的，因为这里要展开的观点并不需要一个具有特殊性质的“绝对固定的空间”，也不需要给在电动力学过程发生的真空的一点赋予一个速度向量。 将要展开的理论是基于——正如所有的电动力学——刚体的动力学，因此该理论的任何主张都与刚体间的关系（坐标系）、时钟和电动学过程有关。当前的运动物体的电动力学所遭遇的困难的根本点，就在于对这些细节考察得不够充分。 I．动力学部分 ?1. 同时性的定义 让我们设想一个坐标系，其中牛顿动力方程仍然有效。为了使我们的表述更加精确并在口头上和以后要引入的另一个坐标系区分，我们称它为“固定系”。 如果一个质点相对于这个坐标系是静止的，它的位置可以利用刚性的度量标准和欧几里得几何学来确定，并可以用笛卡尔坐标来表示。 如果我们希望描述一个质点的运动，我们就给出它的作为时间函数的坐标值。现在我们必须记住这种数学上的描述并没有物理意义，除非我们十分清楚我们所理解的“时间”是什么。我们必须深入考察一下，我们的所有与时间相关的判断总是一种同时性事件的判断。比如，举个例子，我说：“那辆火车在7点钟到这里。”我的意思是：“我的手表指针指向7点和火车的到达是同时性事件。” 通过用“我的手表的指针指向”来代替“时间”，就出现了一种克服关于“时间”定义的所有困难的可能。而且事实上当我们关心的是为和手表处于同一空间的时间作专门定义时，这样的定义是足够的，但是当我们必须将处于不同空间的事件序列联系到时间中，或——同样的说法——评估远离手表的空间所发生的事件的时间，它就不再令人满意了了。 当然，我们可以满足于用下述方法定义时间值，一个观察者与一只手表一起位于坐标的原点，用来标志时间的每一个事件所对应的手表指针的指向，以光信号发出并通过真空到达他那里进行校准。但是这种校准方法的缺点是，正如我们从经验中得知的，它并非独立于带手表或时钟的观察者的立场。通过下列的思考我们可以得到一个更实用的论断。 如果在空间A点有一个时钟，一个位于A的观察者就可以对紧邻A的事件找到和它同时的指针指向，来确定这些事件的时间值。如果在空间B有一个在所有方面都与A相似的另一个时钟，在B的观察者也可以确定紧邻着B点的事件的时间值。但是如果没有进一步的假设，对在A和B的事件作关于时间的比较就是不可能的。我们至此仅仅确定了一个“A时间”和一个“B时间”。我们还没有找到一个A和B的通用“时间”，后者是根本无法确定的，除非我们在定义上确立起光从A到B所需的“时间”与它从B到A所需的“时间”相等。设一束光线在“A时间”tA从A向B出发，设它在“B时间”tB在B被反射回A，并且在“A时间”t(A重新到达A。 根据定义如果 则两时钟同步。 我们假定这种同步的定义是无矛盾的，并且对任意多的点都适用；那么下列的关系就是普遍成立的：—— 1．如果B的时钟和A的时钟同步，那么A的时钟与B的同步。 2．如果A的时钟与B的时钟同步同时也与C的时钟同步，B与C的时钟也相互同步。 这样在这种假想物理实验的帮助下，我们已经有了对不同地点的固定时钟的同步的理解，而且显然得到了关于“同时”或“同步”和“时间”的定义。一个事件的“时间”就是位于该事件地点的固定时钟所给出的和该时间同时的事件。这个时钟对于所有的时间测定点，都需要和一个特定的时钟保持同步。