1905年9月,德国《物理学杂志》发表了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》。这是物理学中,具有划时代意义的历史文献。法国物理学家评论说,这篇文献,好像“光彩夺目的火箭,在黑暗的夜空,突然划出一道道短促的,但又十分强烈的光辉,照亮了广阔的未知领域”。
这篇论文和同类论文大不相同! 它既没有文献的引证,也没有援引权威的著作,而不多的几个脚注,也只是说明性的。文章是用简明朴素的语言写成的,即使对内容没有深刻的理解,也能看懂其中的一大部分。
论文一开始,爱因斯坦就开门见山地提出了一个理想实验:当一个导体和磁铁相对运动时,在导体中产生的电流,并不取决于两者哪一个在运动。可是,根据麦克斯韦理论,磁铁运动产生电场,而导体运动却不产生电场。爱因斯坦把这种不对称,与企图证实地球相对于以太运动实验的失败联系起来,单刀直入地提出一种猜想:
相对静止这个概念,不仅在力学中,而且在电动力学中,也不符合现象的特性。倒是应当认为,凡是对力学方程适用的一切坐标系,对于上述电动力学和光学的定律也一样适用。
接着,爱因斯坦便不假思索地说:“我们要把这个猜想,它的内容,以后就称为‘相对性原理’,提升为公理。”
紧接着,爱因斯坦又引入了另一条在表面上与前者不同的公理,即光速不变原理:“光在空虚空间里,总是以一确定的速度c传播着,这速度同发射体的运动状态无关。”
由此,爱因斯坦便转入具体讨论,他在空间各向同性和均匀性的假定下,给同时性下了可度量的定义,规定了校准时钟的三条逻辑性质。他接着论述了长度和时间的相对性,并得出结论:
我们不能给予同时性这个概念,以任何绝对的意义;两个事件,从一个坐标系看来是同时的,而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来,它们就不能再被认为是同时的事件了。
他接着又基于两条公理,推导出一个变换方程。由这个变换方程,爱因斯坦就方便地得到了“长度收缩、时钟延缓”的结论,以及新的速度合成法则。爱因斯坦推论出的“长度收缩、时钟延缓”这一结论,后来就简称为“尺缩钟慢”效应。
在论文的“电动力学部分”中,爱因斯坦还是以变换方程为根据,导出了带撇系统中的麦克斯韦方程,阐明了关于磁场中运动所产生的电动力的本性。这样,论文开头中理想实验的不对称性,以及一直争论不休的单极电机,现在也不成问题了。他从相对论给出了多普勒效应和光行差的说明,论述了光能和辐射压力的变换,导出电子运动的方程式。
爱因斯坦利用光能变换,在1905年9月发表的《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》这篇论文中,推导出著名的质能关系式:E= mc 2 ,其中c是光速。爱因斯坦得出结论:物体的质量是它所含能量的量度。爱因斯坦预言,用那些能量变化很大的物体,例如镭盐,来验证这个结论,不是不可能成功的。
这篇不到三页的论文,是物理学中演绎法的最完美的典范。爱因斯坦仅仅通过对两列反向平面光波的理想实验的细致分析,就轻而易举地解释了放射性元素放出巨大能量的原因,为人类揭示出取之不尽、用之不竭的新能源。
探索自然界的统一性,是爱因斯坦一生所追求的目标。他说过:“从那些看起来同直接可见的真理十分不同的各种复杂现象中,认识到它们的统一性,那是一种壮丽的感觉。”狭义相对论的建立,使爱因斯坦统一性思想旗开得胜。这一新理论,成功地揭示出时间和空间、物质和运动、能量和质量、动量和能量的统一性,把经典力学和经典电动力学统一起来。这是人类理性思维的杰作。