光速不变性概念与速度合成之间的矛盾的解决

经过了一段时间的深入思考后，爱因斯坦坚定了对光速不变的信念， 从而反过来对速度合成法则所赖以成立的伽利略变换产生了怀疑。但是后者是建立在牛顿的绝对时间、绝对空间概念的基础上的，这就不得不导致时空观念上的彻底变革。攀登这样一个思想高峰，绝非一件轻而易举的事， 从各方面提供的材料分析，从哲学批判中吸取精神营养，是他获得观念上变革的重要因素。他在《自述》中说道：

“今天，虽然谁都知道，只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里，那末任何想要令人满意地澄清这个悖论(指追光问题)的尝试都是注定要失败的。清楚地认识这条公理以及它的任意性， 实际上就意味着问题的解决，对于发现这个中心点所需要的批判思想，就我的情况来说特别是由于阅读了戴维·休谟和恩斯特·马赫的哲学著作而得到决定性的进展。”[1]

我们知道，爱因斯坦在少年时代就开始对哲学发生兴趣，13 岁的时候，读了康德(Kant，1724—1804)的《纯粹理性批判》。1897 年，在大学二年级时读了奥地利物理学家马赫(Ernst Mach，1838—1916)的《力学及其发展的批判历史概论》(以下简称《力学史》)这本书对牛顿力学的绝对性的批判，给爱因斯坦以深刻的影响。

马赫在《力学史》中对牛顿的绝对时间和绝对空间概念进行了分析， 他认为时间与空间的量度是与物质的运动分不开的，时空概念是通过经验形成的，是从比较两个事物的快慢中产生的。可是绝对时空无论依据什么经验也不能把握，它只不过是一种无根据的、先验的概念而已。他由此得出结论在力学中具有意义的只是相对运动，绝对运动是毫无意义的。

马赫的批判使爱因斯坦受到很大启发。他对马赫的论述感到“格外引人入胜”。他说“马赫卓越地表述了那些当时还没有成为物理学家公共财富的思想。”[9]

1902—1905 年，爱因斯坦在伯尔尼结识了索洛文(M.So-lovine)与哈比希特 (C.Habicht)，三个青年组成了“奥林比亚科学院”，他们每晚聚集在一起以极大的兴趣和热情研读了斯宾诺莎(Spinoza，1632—1677)、马赫、休谟(D.Humo，1711—1766)、亥姆霍兹、黎曼、彭加勒等人的科学与哲学著作。从这些大师们的经典著作中，爱因斯坦吸取了许多人类思想的精华。斯宾诺莎关于自然界的统一性观念对爱因斯坦有深刻影响。他曾

经声称：“我信仰斯宾诺莎的那个在存在事物的有秩序的和谐中显示出来的上帝，而不信仰那个同人类的命运和行为有牵累的上帝。”[9]即他相信世界的统一。正是因为他对自然界的统一性具有强烈的执着的信念。所以他在 1905 年发表的几篇文章，都具有同一风格，在文章的起始都提出了不对称性问题，即统一性遭到破坏的问题。

这时，休谟的空间和时间观念对爱因斯坦思想的发展具有比较明显的直接的影响。休谟说：“空间或广延的概念不是别的，而是按一定次序分布的可见的或可感知的点的观念。”他还说：“如果我们没有用可觉察的对象充满空间，我们就不会有任何真实的空间观念。”至于时间，它“总是由能够变化的对象的可觉察的变化而发现的”，“没有任何可变的存在”，我们也就不会有“时间观念”。爱因斯坦在他的第一篇相对论论文中，以借助于量尺和时钟定义空间和时间为开端。这种对空间和时间的研究使我们直接回想起休谟的如下论断：空间概念是建立在可触知的对象的排列基础上，而时间观念是建立在能够变化的对象的可觉察的变化基础上。”[2]马赫对牛顿的绝对时空观提出的批评以及休谟的时空观点，为爱因斯

坦在潜意识中放弃时间的绝对性或同时性的绝对性概念打下了基础。有了这样一个基础，相对性原理与伽利略变换之间的矛盾就有了解决的途径。爱因斯坦 1922 年在京都大学的讲演中，生动地描述了这一矛盾的解决

过程：“1905 年 4 月的一天，天气很好，我带着这个问题(光速不变性概念与速度合成法则的矛盾)去访问我在伯尔尼的一位朋友贝索(Michele Besso)。开始，我告诉他：‘近来，我遇到一个难题，今天到这儿来，请你和我一块攻攻它。’我们讨论了这个问题的各个方面。后来我突然找到了问题的关键。第二天，我又来访问他。甚至没有问候一声就对他说：‘谢谢你，我已经完全解决了这个问题。’我的解决办法是，分析时间这个概念不能绝对定义，时间与信号速度之间有不可分的联系，使用这个新概念， 我第一次完满地解决了整个问题。”[11]

爱因斯坦经过 10 年沉思，“放弃了许多无效的尝试”，“终于醒悟到时间是可疑的”。[9]在对空间和时间的物理意义作了较深入的分析后，他认识到“伽利略变换是建筑在任意假定的基础上，特别是建筑在同时性的陈述与参考系无关的基础上”。在时空观上产生了一个升华，形成了同时性的相对性概念。突破了这一难关，就完满地解决了整个困难，五个星期后，他就完成了狭义相对论论文。