狭义相对论发现史
狭义相对论 > 1905年爱因斯坦 > 移动物体的电磁学

1905年9月26日，爱因斯坦发表了被称为奇迹年论文的论文，论文的内容就是今日我们所称的狭义相对论。这篇论文收到的日期是同年7月30日，极少数人认为狭义相对论的发现权存在争议，部分是因为该论文的收到日期比庞加莱同年论文要晚7天。在爱因斯坦的论文里面包含了对于时空的全新定义：所有的时空坐标在所有参考系里面都是等价的，并且不存在所谓“真实”的和“表面”的时间；同时他还废除了以太这一概念。他还确定了两个基本原则：相对性原理与“光速恒定原理”，这两个原理成为他的理论的假定基础。为了更好的理解爱因斯坦是如何迈出这一步的，下面总结了前面已阐述过的1905年以前物理学界所发生事件的概况。需要说明的是，尽管爱因斯坦熟悉洛仑兹1895年的理论，以及庞加莱所著的《科学与假设》，他并不熟悉这两人在1904年至1905年的论文。
而下面则是基于上述事件以及当时已知理论的一些有关光速性质的推论：
通过b可以得出，光速并非由光在真空中的速度，以及选中参考系的速度所构成的。而这反驳了（几乎）静态以太理论；
通过a和c可以得出，光速并非由光在真空中的速度，以及光源的速度所构成的。而这反驳了光微粒说；
通过a、c和d可以得出，光速并非由光在真空中的速度，以及由于附近物体拖拽以太所带来的速度所构成的。而这反驳了完全以太拖拽假说；
通过c可以得出，光在移动介质中传播的速度并非由光在该介质静止中传递的速度，以及该介质移动的速度构成的，而是由菲涅耳的拖拽相互作用所决定的。
为了使上述理论保持正确，人们就不得不添加一些特例假设。然而在科学界，这种假设会阻碍人们发现更多客观规律，因而被认为是非常不合适的。再者，这还违反了奥卡姆剃刀原则。正因如此，爱因斯坦拒绝这种辅助假设，而是根据上面的那些事实得出一个直接的结论，即，相对性原理是正确的，而光速在所有的惯性参考系里面都是恒定的。基于这一假定，爱因斯坦仅仅通过几页的论文就解释了前述的所有实验结果，而他的前辈们为了得到同样的数学公式却努力了许多年，但是对这些问题的描述却相当长而复杂。除此以外，爱因斯坦还得出了前辈们没有得出的结论，如相对论性多普勒效应以及相对论性畸变。洛仑兹和庞加莱其实也运用了相同的原则，这对于他们取得最终成果是必要的，但他们没有意识到这些原则也是充分的。因此根据洛仑兹的原始推导就已经可以消除所有其它假设，尤其是静态以太假设。爱因斯坦不喜欢以太的另一个原因，可能是他在量子力学上面的研究。光是一种电磁波，这里面的“波动性”被洛仑兹和庞加莱认为是非常重要的，因此必须假定存在一种承载光波的载体。而爱因斯坦却发现光也可以被描述为一个粒子，因此电磁的“波”的载体“以太”在爱因斯坦的理论里面就再也没有任何存在必要了。
尽管在爱因斯坦的论文里面没有任何对其它论文的直接引用，许多历史学家例如霍尔顿、米勒、施塔赫尔都尝试找出什么可能对爱因斯坦的产生了影响。爱因斯坦曾自称他的思想受到了经验主义哲学家大卫·休谟和恩斯特·马赫的影响。至于相对性原理，尽管移动中的磁铁与导体问题（可能是因为阅读了奥古斯特·奥托·弗普勒的一本书之后），以及许多关于以太漂移实验所得出的否定结果对于爱因斯坦接受这一原理是重要的，但爱因斯坦认为在这方面没有任何东西能超过迈克耳孙－莫雷实验对他产生的影响。其它可能的影响来源还包括庞加莱的《科学与假设》，爱因斯坦1904年从这本书中了解相对性原理；以及马克斯·亚伯拉罕的一篇文章，爱因斯坦借用了这里面出现的“麦克斯韦-赫兹方程组”和“纵向和横向质量”等术语。
爱因斯坦指出，1895年的洛仑兹理论（或者说麦克斯韦-洛仑兹电磁学），以及斐索实验都对他形成自己的他电磁学和光速恒定定律的观点产生了不可忽略的影响。他在1909年和1912年的时候均说过，他从洛仑兹的静态以太理论中借用了前述概念。但他发现这些概念组合在一起之后，以太就成了一个没有意义的东西了，静态以太理论暗示了麦克斯韦方程组的有效性，以及光在“以太参考系”中的速度是恒定的。爱因斯坦在1907年及以后的论文写道，简单的通过将洛仑兹的本地时间从辅助量改为定义成“时间”，并且和信号速度联系起来，就可以将相对性原理和光速恒定这两个概念中的明显矛盾解决掉。而在爱因斯坦之前，庞加莱也针对本地时间发展出一种类似的物理解释，同时也意识到其与信号速度的联系。但和爱因斯坦不同的是，他认为在以太中的时钟才能指示真实的时间，而所有移动的时钟所显示的时间都只是表象（表面时间）。最后，1953年爱因斯坦描述了他的理论的优点（尽管庞加莱在1905年就已经指出，洛仑兹不变性是所有物理理论都要遵守的条件）：
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|  | There is no doubt, that the special theory of relativity, if we regard its development in retrospect, was ripe for discovery in 1905. Lorentz had already recognized that the transformations named after him are essential for the analysis of Maxwell's equations, and Poincaré deepened this insight still further. Concerning myself, I knew only Lorentz's important work of 1895 [...] but not Lorentz's later work, nor the consecutive investigations by Poincaré. In this sense my work of 1905 was independent. [..]  The new feature of it was the realization of the fact that the bearing of the Lorentz transformation transcended its connection with Maxwell's equations and was concerned with the nature of space and time in general. A further new result was that the "Lorentz invariance" is a general condition for any physical theory. This was for me of particular importance because I had already previously found that Maxwell's theory did not account for the micro-structure of radiation and could therefore have no general validity.  毫无疑问，如果我们今天再来回顾狭义相对论的发现历史，在1905年的时候该理论所需要的一切都已经成熟了。洛仑兹已经意识到以他命名的洛仑兹变换对于分析麦克斯韦方程组是不可或缺的，而庞加莱则更深入的洞察了这一切。对我而言，我只知悉洛仑兹在1895年的重要成果……但对于洛仑兹此后的工作我并不了解，对于庞加莱的后续工作也不了解。从这一点上来讲，我的1905年的工作成果是独立完成的。……成果（不同于之前的理论）的新特征，是发现了洛仑兹变换本身对未来研究的意义超过了变换和麦克斯韦方程组的结合，以及它和真正的空间与时间概念普遍有关。而另一个新成果则是“洛仑兹不变性”是所有物理理论的基本条件。这对于我而言是非常重要的，因为我之前就已经发现麦克斯韦的理论并不能解释在微观结构中的辐射现象，因此并不是普遍有效的（理论）。 |  |