Ⅰ.狹義相對論構建前夜：風起云涌的十九二十世紀之交
1.馬赫對牛頓絕對時空觀的批判
17世紀，牛頓在其精典專著《自然哲學之物理原理》中指出“絕對的、真正的、數學的時間，就其本性而言是永遠均勻地流逝物理電學基礎理論，與一切外界事物無關的”，又強調“絕對空間就其本性而言,是永遠處處相同和不動的,與一切外界事物無關的”[1]。牛頓對于絕對時間與空間的這種敘述通常也稱為牛頓的絕對時空觀，其最明顯的特點就是時空與運動和外界事物完全無關，永恒不變。
乍聽之下，牛頓的絕對時空觀是完美的，卻又會讓人懷疑這樣絕對的事物是否存在。不過牛頓提出這樣的觀點并非只是出于自己腦中的理想，而是有著經驗事實根據的。人們在日常生活中未曾覺察到時間和空間本身有任何變化，這樣的直接覺得經驗與牛頓的絕對時空觀完全相符,并且在低速情況下也有牢靠的實驗基礎支撐這一觀點[2]。畢竟在牛頓的絕對時空觀下的牛頓熱學定理對符合經驗直覺的伽利略變換保持其不變性與對稱性，牛頓的絕對時空觀便獲得了學界主流的認可。
但是因為牛頓的絕對時空觀沒有任何實驗事實作為根據，自其問世以來便受到了不少學者的批判。其中就包括英國知名化學學家和實證主義哲學家馬赫。
19世紀末葉，馬赫在其專著《力學》中指出“時間是一種具象，我們利用于事物的變化而達到這些具象”，因而所謂與“一切外界事物無關”的絕對時間，因為其不可觀測性，喪失了實踐價值和科學價值，“只是毫無益處的形而念書概念”。[3][4]他主張，一切化學學定理和數學理論都只能包含可觀測量,而不應包含不可觀測量,牛頓的絕對時空因為沒有任何觀測事實根據,應從熱學和所有數學學中徹底清理出去。[2]
從后來愛因斯坦對馬赫的評價來看，馬赫對青年時期的愛因斯坦形成了深遠影響，實際上也為狹義相對論的橫空出世埋下了伏筆。
2.熱學與電動熱學的不對稱性
愛因斯坦在其論文《論動體的電動熱學》開篇便拋出了一個思想實驗：考慮一個磁極同一個導體之間的電動力的互相作用，假如磁極運動導體靜止，“在磁極附近都會出現一個具有一定能量的電場，它在導體各部份所在的地方形成一股電壓”[5]。而假如磁極靜止導體運動，“磁體附近沒有電場，但是在導體中卻有一電動勢，這些電動勢本身其實并不相當于能量，而且它——假定這兒所考慮的兩種情況中的相對運動是相等的——卻會導致電壓”[5]。二者相對運動相同，可參考系一變，似乎互相作用的作用機理就變了。這一簡單的事例恰揭開了當時熱學與電動熱學的不對稱性。麥克斯韋電動熱學是只對靜止以太座標系保持其不變性和對稱性的理論，也就是說只適用于靜止物體，怎樣把它推廣應用于運動物體,完善與實驗事實相符合的運動物體電動熱學,成了十九、二十世紀之交數學學界的疑難問題和重大挑戰。
3.當時處理熱學與電動熱學不對稱疑難的主流觀點
若要理解當時的主流觀點，“以太”是一個繞不開的話題。17世紀，笛卡爾將“以太”引入數學學，將其描述為“一種看不見、摸不著、連續的、可壓縮的媒介物質”。隨著光學的發展，因為對光的本質的討論的須要，以太被引入作為承載光波的介質。因為人們在提出光的本質是波的時期對波的了解僅限于機械波，而機械波傳播須要介質，因而當時的波動說便覺得光波的承載介質是以太。而當法拉第提出“場”的概念后，這個“場”作為一種無處不在的、沒有質量的彈性以太，代表著以太被引入電磁學領域。麥克斯韋電動熱學理論預言光的本質是電磁波，這一預言也通過赫茲的實驗得以否認，人們便自然地以為承載光波的以太就是承載電磁波的電磁以太[6]。
因而當人們認識到熱學與電動熱學存在不對稱性時，人們的主流觀點并不是拋棄以太，而更多地選擇更改以太熱學模型或則麥克斯韋等式組。人們不惜引入大量的假定，試圖將麥克斯韋電動熱學涵蓋到當時根深蒂固的精典熱學體系之中。雖然多數的嘗試和努力都以失敗告終，但當時的主流觀點仍是怎樣處理以太與物質的關系，囿于牛頓絕對時空觀和機械觀而不愿拋棄以太，拋棄絕對時空。
4.以邁克爾遜-莫雷實驗為代表的探求“以太”的實驗
19世紀末數學學界大多覺得以太是靜止的，且自由以太不隨著物體飄移。為了驗證以太到底是靜止的還是運動的，許多科學家投入到光速測定的實驗中，其中邁克爾遜和莫雷進行的實驗最為知名。邁克爾遜-莫雷實驗希望通過檢測兩垂直光的光速差值來探究自由以太是否不會隨著物體甩尾。若果兩垂直光的光速存在差值，便可證明以太是靜止的。但是經過精密的實驗檢測，她們并未發覺光速存在差值，這或許表明自由以太會被物體拖曳而飄移，因而對當時的以太學說引起了巨大沖擊。
5.洛倫茲、龐加萊的貢獻與局限
法國知名理論化學學家洛倫茲通過引入收縮假定等11個人為假定，于1904年推導入了從靜止座標系變換到運動座標系時的新的時空座標變換，因而使麥克斯韋多項式組和光速變換到運動座標系時保持其不變性和對稱性,完滿解釋實驗未偵測到月球相對以太運動對光速變化的零結果,并且還能完滿地解釋當時實驗上已發覺的運動物體的一些光學和電磁現象。
但洛倫茲囿于熱學世界觀的禁錮，一直深信以太的存在，深信牛頓的絕對時空觀，只承認絕對靜止以太參考系的時間和空間是真實的，這違背了所有靜止和勻速運動座標系的完全等效性，造成了不是光學和電磁現象所固有的不對稱性。并且洛倫茲的收縮假定是一種動力學效應,應該造成其他相應的化學效應,但實驗未曾測量到它們[2]。洛倫茲只把他的時空座標變換當成輔助性的物理工具，而沒有思索其背后的數學意義，自然也與狹義相對論的發覺失之交臂。
美國杰出的物理家和物理化學學家龐加萊通過總結大量實驗事實提出了運動的相對性和相對性原理，一切數學學定理對靜止和勻速運動的觀測者都應該保持方式不變[2]。在1898年《時間的檢測》一文中，龐加萊承認光速不變是一個公設，得出同時具有相對性的推論。而那些與1905年愛因斯坦得出的推論是相同的。
但是龐加萊其實承認光速不變，但他覺得靜止以太是存在的，只有在靜止以太中檢測的光速才嚴格等于c。他并沒有真正跳出絕對時空觀，也試圖把“收縮效應”解釋為動力學效應。他的相對性原理實質上仍是相對運動原理，因而也錯失了發覺狹義相對論的機會[7]。
Ⅱ.愛因斯坦的獨創與勇氣
1.愛因斯坦的思索方向及各方向的可能性
通過前文對背景的介紹我們曉得，經過前人不懈努力的探求，熱學與電動熱學的不對稱疑難的摒棄早已取得了一定的進展。因而可供愛因斯坦探求的思索方向大致分為三條：第一條，更改甚至推翻麥克斯韋電動熱學；第二條，對以太理論進行修正；第三條，拋棄以太理論，把相對性原理和光速不變原理作為前提假定，構建全新的理論。
事實上在當時各類實驗的努力和嘗試中，人們發覺麥克斯韋多項式本身愈發簡練明了，更為頗具成效，而且與實驗的結果挺好地相合。麥克斯韋電動熱學本身足夠獨立，足夠有效，可以說幾乎沒有可能須要更改，更毋須說推翻了。
愛因斯坦清楚地認識到，以太理論作為牛頓絕對時空觀下的理論與麥克斯韋電動熱學分屬兩個體系，麥克斯韋電動熱學毋須屈從于以太理論和熱學概念。通過更改這兩個理論的其中一個，將二者強行融合只會引起更多的不對稱性疑難。因而須要一個在全新的時空觀下的全新理論，這個理論應該既能將靜止參考系下的麥克斯韋多項式通過時空座標變換推廣到運動參考系并不破壞其不變性和對稱性，又能將精典熱學涵蓋其中，因而成為一個更廣泛的理論，掃除數學學晴空中的烏云。
其實，第三條方向最具突破的希望，而愛因斯坦也正是選擇了這條方向。
2.大膽拋棄絕對時空，深入思索時空的內涵
愛因斯坦遭到馬赫的影響，很早便開始指責牛頓絕對時空觀和機械論，并在《論動體的電動熱學》中坦承：“絕對靜止這概念,除了在熱學中物理電學基礎理論，但是在電動熱學中也不符合現象的特點，倒是應該覺得，但凡對熱學等式適用的一切座標系，對于上述電動熱學和光學的定理也一樣適用”[5]。同時他坦誠地坦言：“‘光以太’的引用將被證明是多余的”[5]。就這樣，他以相對性原理和光速不變原理僅僅兩條公設為基本出發點，十分順利地推導入洛倫茲變換，并很自然地得出同時具有相對性、“動鐘變慢”、“動尺收縮”等在洛倫茲理論中作為人為假定的推論。這種乍聽上去匪夷所思但正確的推論，不再是人為引入的、數學的、無數學意義的前提假定，而只是由相對性原理和光速不變原理導入的最自然不過的推論。而且這些運動物體在運動方向上的收縮效應只是觀測上的效應而非動力學效應，洛倫茲理論中的問題也就迎刃而解了。
在《論動體的電動熱學》的后半部份，愛因斯坦著眼于電動熱學部份，在拋棄了絕對靜止時空的全新時空觀下，“電動力只起著一個輔助概念的作用，它的引用是因為這樣的情況：電力和磁力都不是獨立于座標系的運動狀態而存在的”[5]，開篇思想實驗所引出的熱學與電動熱學的不對稱性便不存在了。同時通過應用時空座標變換，動體的光學問題都可以歸結為一系列靜體光學問題，成功地將原先只適用于靜止參考系的麥克斯韋電動熱學推廣至運動參考系。這篇文章也深刻地闡明出：時空的相對性結構是一切自然劃分律對相對運動保持其不變性和對稱性的基礎,也是自然界因果關系創立的基礎。
并不是每一個人在發覺主流觀點存在的弊端后會大膽地選擇全新的公路，也不是每一個人在這條全新的路上取得成果后，才能不懼主流的輿論將成果發表下來。哥白尼直到彌留之際才發表《天體運行論》，牛頓也曾有過退隱學術圈的暗淡歲月。在數學學界將眼神集中于以太理論時，愛因斯坦才能不落窠臼，跳出絕對時空觀的桎梏，并誠懇地將自己的成果公布于世，這除了是他敏銳的洞察力和對自然劃分律的不變性和對稱性的最堅定的數學信念的結果，更是他難能可貴的勇氣的結果。固然因為時代的誘因，雖然發表這樣與主流完全相反的理論，愛因斯坦也不會有性命之憂，但其理論在提出之初備受指責是肯定的，沒有魄力和勇氣，實在很難作出這番成就。
Ⅲ.結語：對科研、生活的啟示
在理學的科研之路上，好多時侯我們并不是缺少扎實的物理運算能力，不是缺少淵博的學識，而是缺少指責的勇氣和毅力。愛因斯坦在摒棄熱學與電動熱學的不對稱疑難的思索過程中并沒有顯露出過分精湛的物理方法，最難能可貴的是樂于學習新思想，在信念的指引下跳出主流觀點，公開自己思索詮釋成果的勇氣。這樣的勇氣來始于對自然劃分律的不變性和對稱性的深信，只有具備這些堅定的信念，我們能夠從內心生發出指責的勇氣和毅力來。對每一位自然科學的科研工作者而言，這個信念是最為重要的指導法則，其次便是不畏學術權威，勇于指責的勇氣和堅持的毅力。其實我們不希圖作出卓越的學術貢獻，但如果我們缺位了這樣一股信念，只知順著老路前行，那恐怕也不能稱之為科研了。
在生活中也是這么。隨著主流輿論人云亦云，他人做哪些我就跟隨做哪些，這些不理智的心態對于我們學習科學，鉆研科學的人而言尤不可取。我們須要思索，我們待人接物的原則為什么，這樣的原則是否合情、合理。之后按照自己的原則提出自己的看法，作出自己的行動，雖然與社會主流相差甚遠。
無論是科研還是生活，本文所闡述的愛因斯坦的思索與努力都有很大的啟發意義，也是我們須要一生去學習和鞏固的功課。
參考文獻
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[7]戎凱.她們迷失在臨門一腳——從數學學史上幾個精典的“失之交臂”談起[J].化學班主任,2009,30(08):38-41.