爱因斯坦奇迹年：改变物理学面貌的五篇论文

　　本书由美国波士顿大学爱因斯坦研究中心主任施塔赫尔主编并详撰导言。书中汇编了爱因斯坦改变物理学面貌的5篇经典性论文，并对每篇论文做出了背景说明、加上编者注，卷首则冠以当代数学、理论物理学名家罗杰·彭罗斯撰写的序言。本书对于了解爱因斯坦在20世纪初的原始思想及其如何改变物理学的面貌，不仅有很高的文献价值，而且还有更为深刻的启迪作用。：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：出版说明：本书收录的爱因斯坦五篇原始论文系现代物理学的经典之作。英文版尽可能保留了原著风貌，举凡原著疏漏、错误之处，排印时一律照旧，同时编者又逐一加注予以说明。中文版仍沿用英文版的风格、体例，包括公式的排印格式、外文字母的正斜体。计量单位的使用等，均维持原状，而不做技术性的改动。例如，原文中诸如dx／dt之类一概用斜体，为保持经典文献原貌，中文版亦一仍其旧，而未擅改为dx／dt等等；又如，中文版能量单位照旧用尔格，而未改为焦。英文版无索引，中文版亦不再另编。凡此种种，皆敬请读者注意。：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：前言：在20世纪，我们极其幸运地目睹了我们世界的物理图象的两次重大革命。第一次革命推翻了我们的空间和时间观，把两者结合为我们现在称之为时空的东西，人们发现这种时空以一种微妙的方式弯曲着，从而引起人们早就熟悉的。无处不在而又神秘的引力现象。第二次革命完全改变了我们理解物质和辐射本性的方式，给了我们一种实在的图象，其中粒子的行为像是波，而波的行为像是粒子，我们通常的物理学描述变得具有本质上的不确定性，而一个物体可以同时在几个地方呈现其自已。我们用“相对论”一词概括第一次革命，而用“量子论”概括第二次革命。两者现在都已通过观测得到确认，其达到的精确度在科学史上乃是空前的。我认为，公正地说，在我们对物理世界的理解方面以前只有三次革命可以真正与它们相比。关于那三次革命中的第一次，我们必须回到古希腊时代，当时引进了欧几里得几何学的观念以及从刚体和静止构形得来的某种观点。此外，在我们洞察自然界时开始重视数学推理的关键性作用。关于那三次革命中的第二次，我们必须跳到门世纪，当时伽利略（Galileo）和牛顿（I．Newton）告诉我们，有质体的运动可以如何通过其组分粒子间的力和这些力引起的加速度来理解。19世纪给我们带来了第三次革命，当时法拉第（M．Faraday）和麦克斯韦（J．C．Maxwell）告诉我们，仅仅粒子是不够的，我们还必须考虑弥漫在空间中的连续的场，这些场同粒子一样实在。这些场结合为一种无所不在的、称之为电磁场的单一的实体，而光的行为可以用其自身传播的振荡作出美妙的解释。现在回到我们眼前的这个世纪，特别令人惊奇的是一位物理学家——阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）——对自然界的运作有如此非凡的洞察力，以至于他在1905年这一年中就为20世纪的这两次革命奠定了基础。不仅如此，在同一年内，爱因斯坦通过他的论测定分子大小的博士论文和他对布朗运动本性的分析，还为其他两个领域提供了具有根本性的新见识。仅仅是后一种分析就使得爱因斯坦在历史上占有一席之地。确实，他关于布朗运动的工作［同斯莫卢霍夫斯基（Smoluchowski）作出的独立而又平行的工作一道］为重要的统计理解奠定了基础，这在许多其他领域都有巨大的意义。本书把爱因斯坦在那个非凡之年发表的五篇论文收集在一起。开头是一篇论及分子大小的论文（论文1），接着是一篇关于布朗运动的论文（论文2）。然后是两篇狭义相对论的论文：第一篇发动了“相对论”革命，现在这对物理学家是非常熟悉的了（而且也为一般公众所了解），在这场革命中废除了绝对时间的概念（论文3）；第二篇是一篇短文，其中推导出了爱因斯坦的著名公式“E＝mc2”（论文4）。最后，是（惟一）一篇爱因斯坦自己实际上称其为“革命性的”论文，它论证在某种意义上，我们必须回到：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：请读片断：……着，这速度同发射体的运动状态无关。由这两条公设，根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力学。“光以太”的引人将被证明是多余的，因为按照这里所要阐明的见解，既不需要引进一个具有特殊性质的“绝对静止的空间”，也不需要给发生电磁过程的空虚空间中的每个点规定一个速度矢量。这里所要阐明的理论——像其他各种电动力学一样——是以刚体的运动学为根据的，因为任何这种理论所讲的，都是关于刚体（坐标系）、时钟和电磁过程之间的关系。对这种情况考虑不足，就是动体电动力学目前所必须克服的那些困难的根源。A．运动学部分1．同时性的定义设有一个牛顿力学方程在其中有效的坐标系。为了使我们的陈述比较严谨，并且便于将这坐标系同以后要引进来的别的坐标系在字面上加以区别，我们叫它“静系”。如果一个质点相对于这个坐标系是静止的，那末它相对于后者的位置就能够用刚性的量杆按照欧几里得几何的方法来定出，并且能用笛卡儿坐标来表示。如果我们要描述一个质点的运动，我们就以时间的函数来给出它的坐标值。现在我们必须记住，这样的数学描述，只有在我们十分清楚地懂得“时间”在这里指的是什么之后才有物理意义。我们应当考虑到：凡是时间在里面起作用的我们的一切判断，总是关于同时的事件的判断。比如我说，“那列火车7点钟到达这里”，这大概是说：“我的钟的短针指到7同……

　　约翰·施塔赫尔，波士顿大学物理学教授和爱因斯坦研究中心主任，《阿尔伯特·爱因斯坦文集》的主编。