Ⅰ.狭义相对论构建前夜：风起云涌的十九二十世纪之交
1.马赫对牛顿绝对时空观的批判
17世纪，牛顿在其精典专著《自然哲学之物理原理》中指出“绝对的、真正的、数学的时间，就其本性而言是永远均匀地流逝物理电学基础理论，与一切外界事物无关的”，又强调“绝对空间就其本性而言,是永远处处相同和不动的,与一切外界事物无关的”[1]。牛顿对于绝对时间与空间的这种叙述通常也称为牛顿的绝对时空观，其最明显的特点就是时空与运动和外界事物完全无关，永恒不变。
乍听之下，牛顿的绝对时空观是完美的，却又会让人怀疑这样绝对的事物是否存在。不过牛顿提出这样的观点并非只是出于自己脑中的理想，而是有着经验事实根据的。人们在日常生活中未曾觉察到时间和空间本身有任何变化，这样的直接觉得经验与牛顿的绝对时空观完全相符,并且在低速情况下也有牢靠的实验基础支撑这一观点[2]。毕竟在牛顿的绝对时空观下的牛顿热学定理对符合经验直觉的伽利略变换保持其不变性与对称性，牛顿的绝对时空观便获得了学界主流的认可。
但是因为牛顿的绝对时空观没有任何实验事实作为根据，自其问世以来便受到了不少学者的批判。其中就包括英国知名化学学家和实证主义哲学家马赫。
19世纪末叶，马赫在其专著《力学》中指出“时间是一种具象，我们利用于事物的变化而达到这些具象”，因而所谓与“一切外界事物无关”的绝对时间，因为其不可观测性，丧失了实践价值和科学价值，“只是毫无益处的形而念书概念”。[3][4]他主张，一切化学学定理和数学理论都只能包含可观测量,而不应包含不可观测量,牛顿的绝对时空因为没有任何观测事实根据,应从热学和所有数学学中彻底清理出去。[2]
从后来爱因斯坦对马赫的评价来看，马赫对青年时期的爱因斯坦形成了深远影响，实际上也为狭义相对论的横空出世埋下了伏笔。
2.热学与电动热学的不对称性
爱因斯坦在其论文《论动体的电动热学》开篇便抛出了一个思想实验：考虑一个磁极同一个导体之间的电动力的互相作用，假如磁极运动导体静止，“在磁极附近都会出现一个具有一定能量的电场，它在导体各部份所在的地方形成一股电压”[5]。而假如磁极静止导体运动，“磁体附近没有电场，但是在导体中却有一电动势，这些电动势本身其实并不相当于能量，而且它——假定这儿所考虑的两种情况中的相对运动是相等的——却会导致电压”[5]。二者相对运动相同，可参考系一变，似乎互相作用的作用机理就变了。这一简单的事例恰揭开了当时热学与电动热学的不对称性。麦克斯韦电动热学是只对静止以太座标系保持其不变性和对称性的理论，也就是说只适用于静止物体，怎样把它推广应用于运动物体,完善与实验事实相符合的运动物体电动热学,成了十九、二十世纪之交数学学界的疑难问题和重大挑战。
3.当时处理热学与电动热学不对称疑难的主流观点
若要理解当时的主流观点，“以太”是一个绕不开的话题。17世纪，笛卡尔将“以太”引入数学学，将其描述为“一种看不见、摸不着、连续的、可压缩的媒介物质”。随着光学的发展，因为对光的本质的讨论的须要，以太被引入作为承载光波的介质。因为人们在提出光的本质是波的时期对波的了解仅限于机械波，而机械波传播须要介质，因而当时的波动说便觉得光波的承载介质是以太。而当法拉第提出“场”的概念后，这个“场”作为一种无处不在的、没有质量的弹性以太，代表着以太被引入电磁学领域。麦克斯韦电动热学理论预言光的本质是电磁波，这一预言也通过赫兹的实验得以否认，人们便自然地以为承载光波的以太就是承载电磁波的电磁以太[6]。
因而当人们认识到热学与电动热学存在不对称性时，人们的主流观点并不是抛弃以太，而更多地选择更改以太热学模型或则麦克斯韦等式组。人们不惜引入大量的假定，试图将麦克斯韦电动热学涵盖到当时根深蒂固的精典热学体系之中。虽然多数的尝试和努力都以失败告终，但当时的主流观点仍是怎样处理以太与物质的关系，囿于牛顿绝对时空观和机械观而不愿抛弃以太，抛弃绝对时空。
4.以迈克尔逊-莫雷实验为代表的探求“以太”的实验
19世纪末数学学界大多觉得以太是静止的，且自由以太不随着物体飘移。为了验证以太到底是静止的还是运动的，许多科学家投入到光速测定的实验中，其中迈克尔逊和莫雷进行的实验最为知名。迈克尔逊-莫雷实验希望通过检测两垂直光的光速差值来探究自由以太是否不会随着物体甩尾。若果两垂直光的光速存在差值，便可证明以太是静止的。但是经过精密的实验检测，她们并未发觉光速存在差值，这或许表明自由以太会被物体拖曳而飘移，因而对当时的以太学说引起了巨大冲击。
5.洛伦兹、庞加莱的贡献与局限
法国知名理论化学学家洛伦兹通过引入收缩假定等11个人为假定，于1904年推导入了从静止座标系变换到运动座标系时的新的时空座标变换，因而使麦克斯韦多项式组和光速变换到运动座标系时保持其不变性和对称性,完满解释实验未侦测到月球相对以太运动对光速变化的零结果,并且还能完满地解释当时实验上已发觉的运动物体的一些光学和电磁现象。
但洛伦兹囿于热学世界观的禁锢，一直深信以太的存在，深信牛顿的绝对时空观，只承认绝对静止以太参考系的时间和空间是真实的，这违背了所有静止和匀速运动座标系的完全等效性，造成了不是光学和电磁现象所固有的不对称性。并且洛伦兹的收缩假定是一种动力学效应,应该造成其他相应的化学效应,但实验未曾测量到它们[2]。洛伦兹只把他的时空座标变换当成辅助性的物理工具，而没有思索其背后的数学意义，自然也与狭义相对论的发觉失之交臂。
美国杰出的物理家和物理化学学家庞加莱通过总结大量实验事实提出了运动的相对性和相对性原理，一切数学学定理对静止和匀速运动的观测者都应该保持方式不变[2]。在1898年《时间的检测》一文中，庞加莱承认光速不变是一个公设，得出同时具有相对性的推论。而那些与1905年爱因斯坦得出的推论是相同的。
但是庞加莱其实承认光速不变，但他觉得静止以太是存在的，只有在静止以太中检测的光速才严格等于c。他并没有真正跳出绝对时空观，也试图把“收缩效应”解释为动力学效应。他的相对性原理实质上仍是相对运动原理，因而也错失了发觉狭义相对论的机会[7]。
Ⅱ.爱因斯坦的独创与勇气
1.爱因斯坦的思索方向及各方向的可能性
通过前文对背景的介绍我们晓得，经过前人不懈努力的探求，热学与电动热学的不对称疑难的摒弃早已取得了一定的进展。因而可供爱因斯坦探求的思索方向大致分为三条：第一条，更改甚至推翻麦克斯韦电动热学；第二条，对以太理论进行修正；第三条，抛弃以太理论，把相对性原理和光速不变原理作为前提假定，构建全新的理论。
事实上在当时各类实验的努力和尝试中，人们发觉麦克斯韦多项式本身愈发简练明了，更为颇具成效，而且与实验的结果挺好地相合。麦克斯韦电动热学本身足够独立，足够有效，可以说几乎没有可能须要更改，更毋须说推翻了。
爱因斯坦清楚地认识到，以太理论作为牛顿绝对时空观下的理论与麦克斯韦电动热学分属两个体系，麦克斯韦电动热学毋须屈从于以太理论和热学概念。通过更改这两个理论的其中一个，将二者强行融合只会引起更多的不对称性疑难。因而须要一个在全新的时空观下的全新理论，这个理论应该既能将静止参考系下的麦克斯韦多项式通过时空座标变换推广到运动参考系并不破坏其不变性和对称性，又能将精典热学涵盖其中，因而成为一个更广泛的理论，扫除数学学晴空中的乌云。
其实，第三条方向最具突破的希望，而爱因斯坦也正是选择了这条方向。
2.大胆抛弃绝对时空，深入思索时空的内涵
爱因斯坦遭到马赫的影响，很早便开始指责牛顿绝对时空观和机械论，并在《论动体的电动热学》中坦承：“绝对静止这概念,除了在热学中物理电学基础理论，但是在电动热学中也不符合现象的特点，倒是应该觉得，但凡对热学等式适用的一切座标系，对于上述电动热学和光学的定理也一样适用”[5]。同时他坦诚地坦言：“‘光以太’的引用将被证明是多余的”[5]。就这样，他以相对性原理和光速不变原理仅仅两条公设为基本出发点，十分顺利地推导入洛伦兹变换，并很自然地得出同时具有相对性、“动钟变慢”、“动尺收缩”等在洛伦兹理论中作为人为假定的推论。这种乍听上去匪夷所思但正确的推论，不再是人为引入的、数学的、无数学意义的前提假定，而只是由相对性原理和光速不变原理导入的最自然不过的推论。而且这些运动物体在运动方向上的收缩效应只是观测上的效应而非动力学效应，洛伦兹理论中的问题也就迎刃而解了。
在《论动体的电动热学》的后半部份，爱因斯坦着眼于电动热学部份，在抛弃了绝对静止时空的全新时空观下，“电动力只起着一个辅助概念的作用，它的引用是因为这样的情况：电力和磁力都不是独立于座标系的运动状态而存在的”[5]，开篇思想实验所引出的热学与电动热学的不对称性便不存在了。同时通过应用时空座标变换，动体的光学问题都可以归结为一系列静体光学问题，成功地将原先只适用于静止参考系的麦克斯韦电动热学推广至运动参考系。这篇文章也深刻地阐明出：时空的相对性结构是一切自然划分律对相对运动保持其不变性和对称性的基础,也是自然界因果关系创立的基础。
并不是每一个人在发觉主流观点存在的弊端后会大胆地选择全新的公路，也不是每一个人在这条全新的路上取得成果后，才能不惧主流的舆论将成果发表下来。哥白尼直到弥留之际才发表《天体运行论》，牛顿也曾有过退隐学术圈的暗淡岁月。在数学学界将眼神集中于以太理论时，爱因斯坦才能不落窠臼，跳出绝对时空观的桎梏，并诚恳地将自己的成果公布于世，这除了是他敏锐的洞察力和对自然划分律的不变性和对称性的最坚定的数学信念的结果，更是他难能可贵的勇气的结果。固然因为时代的诱因，虽然发表这样与主流完全相反的理论，爱因斯坦也不会有性命之忧，但其理论在提出之初备受指责是肯定的，没有魄力和勇气，实在很难作出这番成就。
Ⅲ.结语：对科研、生活的启示
在理学的科研之路上，好多时侯我们并不是缺少扎实的物理运算能力，不是缺少渊博的学识，而是缺少指责的勇气和毅力。爱因斯坦在摒弃热学与电动热学的不对称疑难的思索过程中并没有显露出过分精湛的物理方法，最难能可贵的是乐于学习新思想，在信念的指引下跳出主流观点，公开自己思索诠释成果的勇气。这样的勇气来始于对自然划分律的不变性和对称性的深信，只有具备这些坚定的信念，我们能够从内心生发出指责的勇气和毅力来。对每一位自然科学的科研工作者而言，这个信念是最为重要的指导法则，其次便是不畏学术权威，勇于指责的勇气和坚持的毅力。其实我们不希图作出卓越的学术贡献，但如果我们缺位了这样一股信念，只知顺着老路前行，那恐怕也不能称之为科研了。
在生活中也是这么。随着主流舆论人云亦云，他人做哪些我就跟随做哪些，这些不理智的心态对于我们学习科学，钻研科学的人而言尤不可取。我们须要思索，我们待人接物的原则为什么，这样的原则是否合情、合理。之后按照自己的原则提出自己的看法，作出自己的行动，虽然与社会主流相差甚远。
无论是科研还是生活，本文所阐述的爱因斯坦的思索与努力都有很大的启发意义，也是我们须要一生去学习和巩固的功课。
参考文献
[1]牛顿.自然哲学之物理原理[M].长春:广东人民出版社，2001：1017（注释）.
[2]周奇.时间、空间与运动——狭义相对论及其伟大科学意义[J].学院化学,2008,(03):47-56.
[3]马赫.热学[M].开放庭园出版公司，1960:273
[4]杨兆华.从马赫到爱因斯坦[J].新乡师专学报，1997，(06):51-52.
[5]爱因斯坦.狭义与广义相对论概说[M].上海学院出版社，2006：194195211
[6]李佳伟,郭芳侠,孔繁敏,王匀阳.以太学说的发展和以太内涵的演化[J].学院化学,2015,34(08):58-61.
[7]戎凯.她们迷失在临门一脚——从数学学史上几个精典的“失之交臂”谈起[J].化学班主任,2009,30(08):38-41.