第八章：爱因斯坦开拓了一个奇妙的世界（上）
物理学革命的一个产物是相对论。可以毫不夸张地说，这个奇妙的新世界基本上是爱因斯坦一手开拓的。为此，这位物理学革命的先锋和主将理所当然地赢得了应有的声誉，但是人们对他的深邃思想的接受似乎比他本人构筑这种思想体系还要艰难。
海森伯曾经说过：“在科学史上，以往也许从来没有过一个先驱者象阿尔伯特·爱因斯坦和他的相对论那样，在他在世时为那么多的人所知道，而他一生的工作却只有那么少的人能够懂得。然而，这个名声是完全有理由的。因为有点象艺术领域中的达·芬奇或者贝多芬，爱因斯坦也站在科学的一个转折点上，而他的著作率先表达出了这一变化的开端；因此，看来好象是他本人发动了我们在本世纪上半期所亲眼目睹的这场革命。”
在叙述爱因斯坦创立狭义相对论之前，我们先回顾一下先驱者们的工作，尤其是洛伦兹和彭加勒的贡献。
1、相对论的先驱：洛伦兹与彭加勒
前面讲过，为了消除菲涅耳理论与迈克耳逊实验结果之间的矛盾，洛伦兹于1892年11月在荷兰阿姆斯特丹科学院提出了收缩假说。这位二十一岁就获得搏土学位、精通法德英文的荷兰物理学家提出了一个大胆的假定，处于地球运动方向的干涉仪的那个臂比另一个臂缩短了，以此解释了迈克耳孙实验的否定结果。
洛伦兹认为：“初看起来，这个假设似乎不可思议，但我们不能不承认，这决不是牵强附会的，只要我们假定分子力也象电力和磁力那样通过以太而传递(至于电力和磁力，现在可以明确地作这样的断言)，平移很可能影响两个分子或两个原子之间的作用，其方式有点类似于荷电粒子之间的吸引与排斥。既然固体的形状和大小最终取决于分子作用的强度，因此物体大小的变化也就会存在。”
在提出收缩假说后，洛伦兹进一步探讨了以太和地球相对运动对其他电磁现象和光现象的影响问题。1895年，他发表了“运动物体中电磁现象和光现象的理论研究”。在这篇论文中，他不仅进行了个别的讨论，而且证明了普遍保证一阶效应不能显示出来的状态对应定理：“设在静止参照系中存在着以x,y,z,t为变数表示的电磁状态，那么在具有同样物理构造并以v运动的参照系中，以相对坐标x',y',z'和当地时间t'为独立变数的同样的函数所表示的电磁状态也必定存在”。现在看来，这个定理在一次近似下表示了洛伦兹协变性。可是，洛伦兹当时并无此意，当地时间只不过是为了数学上的方便而引入的辅助变数而已。
1895年的理论仅仅是完成了一次近似，用它还不能说明迈克耳逊实验。用收缩假说虽然可使矛盾得以解决，但是该假说和他的理论体系并没有本质的联系。因此，洛伦兹努力提高对应态定理适用范围的阶数，企图使它成为一个严密的定理。彭加勒的中肯批评和后来的两个实验加快了洛伦兹的工作进程。
1900年，彭加勒在巴黎召开的国际物理学会议上作了“实验物理学和数学物理学的关系”的讲演。在这篇讲演中，他特别谈到，洛伦兹理论是现存理论中最使人感到满意的理论，但是也有修正的必要。他认为，假使为了解释迈克耳逊实验的否定结果，需要引入新的假说，那么每当出现新的实验事实时，也同样有这种需要。毫无疑问，对于每一个新的实验结果创立一种特殊假说，这种作法是不自然的。假使能够利用某些基本假定，并且不用忽略这种数量级或那种数量级的量，来证明许多电磁作用都完全与系统的运动无关，那就更好了。其实，彭加勒在1899年的一次讲话中就谈到这种看法。
彭加勒的批评给洛伦兹指出了努力的方向，但促使他最后下决心改善先前理论的是瑞利、布雷斯以及特劳、诺布耳的实验。
按照洛伦兹的收缩假说，假使物体在运动方向缩短，那么它的密度就会因方向而异，这样一来，透明体理应显示出双折射现象。瑞利在1902年做了实验，并未发现预期的现象。布雷斯在1904年重复了这个实验，依然得到否定的结果。按照同样的假说，如果使电容器的极板与地球运动方向成一角度，那么当给电容器充电时，应该存在使电容器极板转向地球运动方向的力偶作用。可是在1903年，特劳顿和诺布耳把电容器固定在灵敏的扭秤上，这种扭秤的灵敏度足以测出该数量级的力偶矩，然而他们在实验中却没有观察到任何效应。
洛伦兹面对事实，抱定彻底解决而不是近似解决所有问题的决心，经过重新努力，终于在1904年5月完成了题为“速度小于光速系统中的电磁现象”的论文。洛伦兹1904年的理论是以麦克斯韦方程和作用在电荷上的力(后来称为洛伦兹力)的表达式为基础的，其中麦克斯韦方程在相对于以太固定的参照系(x,y,z)中是成立的。他的目的是研究以匀速沿x轴方向运动的物理系统中所发生的电磁现象，以阐明该现象显示不出任何运动效应。他发现，利用原先的方程和表达式在相对以太运动的参照系中处理问题是极为复杂的，为了避免不必要的麻烦，他作为一种数学技巧引入了新的变数—相对坐标和当地时间。在定义了新的电位移矢量和磁场强度矢量后，他又假定了电荷密度和速度之间的变换式。他把新变数代入原方程之中，得到了带撇变数的新方程，它与原方程具有几乎相同的形式。
就这样，洛伦兹在没有忽略所有各阶项的情况下得到了对应态定理。尽管洛伦兹事先声称，他的这篇论文是以“基本假定”而不是以“特殊假说”为基础的，但为了达到他的既定目标，还是采用了十—个特殊假说。洛伦兹从他科学生涯一开始就着手计划把菲涅耳关于以太和物质相互作用的思想与麦克斯韦电磁场理论以及韦伯、克劳修斯电的原子观点统一起来。1904年的理论就是这一目标的最终实现。尽管洛伦兹企图在经典理论的框架内解决新实验事实和旧理论的矛盾，可是某些结论却超出了这个框架(例如粒子质量随速度而变化，粒子在以太中运动的速度不能大于光速)。
彭加勒极为热情地接受了洛伦兹的理论，他从数学上给洛伦兹理论以更为简洁的形式。他把洛伦兹的坐标与时间变换式命名为洛伦兹变换，并论证当L＝1时，该变换形成一个群。彭加勒还推广了洛伦兹理论，导出电荷和电流密度的变换关系，他甚至(虽然是隐含着)使用了四维表达式。实际上，伏格特在1887年，拉摩于1900年已分别发现了类似的变换式，只是由于没有认识到它的重要意义，因而并未引起人们的注意。
彭加勒主要是一个数学家，而洛伦兹主要是一个理论物理学家。可是谈到对相对论发展的贡献，情况却恰好相反：洛伦兹提出了许多数学表达式，而彭加勒却提出了普遍原理。
1895年，彭加勒在研究拉摩的电磁理论的论文中首次出现了相对性原理的提法。在那里他说，从各种经验事实得出的结论能够概括为述断言：“要证明物质的绝对运动，或者更确切地讲，要证明可称量物质相对于以太的运动是不可能的。”
1899年，他在巴黎大学讲演时说：“我认为很可能，光学现象只依赖于物体的相对速度。……在光行差常数中，如果不忽略二阶或三阶量，这也许是正确的，但却不是严格正确的。当实验变得越来越严格，这一原理也将变得越来越精确。”
第二年，在巴黎举行的物理学会议上，他再次重申了同样的观点：“我不相信……除了物体的相对位移之外，更严密的观察将会使其他东西明显起来。”对于所有各阶“都必须找到同一解释……这种解释同样完满地适用较高阶的项，这些项的相互对消将是严格的绝对的。”相对性原理这个术语是彭加勒1904年9月在圣路易斯国际技术和科学会议的讲演中首次使用的。由于这一原理，“物理现象的定律对‘一个固定的观察者’与对于一个相对于他做匀速运动的观察者必定是相同的。这样一来，我们没有，也不可能有任何识别我们是否做这一运动的手段。”
彭加勒在1898年还第一个讨论了假设光速对所有观察考都是常数的必要性。在这一年发表的“时间之测量”一文中，彭加勒指出：光具有不变的速度，特别是光速在所有方向上都相同“是—种公设，没有这一公设，就无法测量光速。”他还指出：“绝对空间是没有的，我们所理解的不过是相对运动而已”，“绝对时间是没有的，所谓两个历时相等，只是一种本身毫无意义的断语”。“不但我们没有两个相等的时间的直觉，并且我们对于两地所发生的两事件的同时性也没有直觉”。在同—篇文章中，彭加勒还讨论了用交换光信号确定两地同时性的问题。在1902年出版的《科学与假设》中，他又一次重申了上述观点。几乎没有什么疑问，到1900年，彭加勒手头已经具备了建造相对论的所有必需的材料。在1904年圣路易斯会议的讲演中，他还惊人地预见了新力学的大致轮廓。
在十九世纪末，运动物体电磁现象的研究取得了进展，因电气技术发展而提出的单极电机问题引起了物理学家的兴趣。所谓单极电机，就是使一个圆筒形的磁铁绕轴旋转，把转轴和筒壁用导线联结起来，回路就有电流流过(单极感应)。这时，感应电动势在回路的什么地方产生呢？磁铁旋转时，磁力线随之一起旋转呢，还是停留在一个固定的位置上呢？这个问题在1900年前后成为物理学家的中心议题之一，实际上相当于如何使包括有可动物体系统中的电磁现象理论化的问题，属于动体电动力学的内容。1900年，科恩继续坚持赫兹在1890年“关于动体电动力学的基础方程式”一文中提出的观点(以太并不独立于物体运动，力线并非物质的特殊状态，它只是一种符号等等)，尝试用动体电动力学来处理当时面临的实际问题。
科恩也把世界分为以太和电子，而不论及运动参照系中的现象是如何被看到的；他始终把物体当作宏观的、一成不变的东西来处理，论述物体运动时内部发生的电磁现象。科恩也引入了与洛伦兹相同的当地时间作独立变数，找到了可以变为与静止物体的麦克斯韦宏观方程形式严格相同的方程式，把它作为运动物体的方程式。
用今天的眼光来看，其引人注目之处在于，他能根据近于协变性的想法导出方程式。尽管科恩当时并不清楚它的意义，但他导出的方程式能说明大多数实验事实，因而在那时还是有影响的。
2、爱因斯坦的思想发展
在爱因斯坦于1905年完成狭义相对论论文的前期，正是洛伦兹和科恩这种理论之花争香斗艳的时候，迈克耳逊—莫雷实验已完成将近二十年了。以往许多教科书和文章在介绍相对论的诞生时，都把上述背景看作是爱因斯坦创立相对论的基础和出发点，这是不符合事实的。
爱因斯坦1954年2月9日给达文波特的信中说：“在我本人的思想发展中，迈克耳逊的结果并未引起很大的反响。我甚至记不得，在我写关于这个题目的第一篇论文时(1905年)，究竟是否知道它。对此的解释是：根据一般的理由，我坚信绝对运动是不存在的，而我所考虑的问题仅仅是这种情况如何能够同我们的电动力学知识协调起来。因此人们可以理解，为什么在我本人的努力中，迈克耳逊实验没有起什么作用，至少是没有起决定性的作用。”爱因斯坦在其他场合几次述说了同样的观点。
无论就爱因斯坦的思想发展和论文内容来看，还是就他的个人品质和为人来看，他的话都是可信的。至于有人说爱因斯坦的相对论是洛伦兹等人工作的直接继续，这也与事实不符。事实上，爱因斯坦当时只不过是瑞土伯尔尼专利局的一名默默无闻的小职员，他既未处于当时的科学中心，又与学术界知名人士没有什么往来，对于科恩的理论和洛伦兹1895年后的论文他是不可能了解到的。这从下述事实不难看出。洛伦兹1904年的论文是在荷兰的杂志发表的，德国皇家图书馆只有一本，而且只许借阅一天。当时在柏林大学理论物理教研室作普朗克助手的劳厄还不得不向洛伦兹直接索要复印本，地位卑微的爱国斯坦怎么会有机会看到洛伦兹的文章呢？
爱因斯坦不象洛伦兹那样，孜孜不倦地解决迈克耳逊实验和其他实验所提出的疑难，千方百计地弥合各种实验与经典理论的裂痕。爱因斯坦关心的是力学和电动力学形式上的不一致。在向他的既定目标前进中，他既继承了前人的思想精华，也摒弃了一些陈旧的传统观念。相对论的诞生也向我们证明了“这样一个人物的天才和独创性，他能够一眼看穿那疑难重重、错综复杂的迷宫，领梧到新的、简单的想法，使得他能够吐露出那些问题的真实意义，并且给那黑暗笼罩的领域突然带来清澈和光明。”(德布罗意语)
爱因斯坦通过两个渠道吸收了前人丰富的思想财富：一是通过赫兹等人的著作掌握了电磁理论，受到了启迪，特别是弗普尔的教科书，无论从内容和形式方面都给他以极大的教益；二是从马赫、休谟、彭加勒等人的著作中掌握了批判思想，彻底摆脱了绝对时空的束缚。
爱因斯坦在苏黎世联邦工业大学上学时，最使他着迷的课题是麦克斯韦理论。据爱因斯坦本人回忆，当时老师在课堂上并不讲授这些内容，于是爱因斯坦除了在物理实验室外，其余时间就通过亥姆霍兹、玻耳兹曼、赫兹等人的著作如饥似渴地学习麦克斯韦理论。在亥姆霍兹五卷本的《理论物理讲义》中，第一卷有—半讲了哲学和认识论问题，但却很少谈到具体实验，甚至在讲解有关以太问题的内容中，也未提及迈克耳逊实验，尽管该实验在亥姆霍兹的赞同下第一次完成了。
从亥姆霍兹写的关于麦克斯韦理论的书中，爱因斯坦能够得到的东西首先是增强了研究认识论的自觉性，并且从书中他还了解到有关证实以太的实验还不能看作是决定性的。在玻耳兹曼所写的“涉及到纯粹以太运动的麦克所韦理论的结果”的论文中，一次也没有提到具体的实验。爱因斯坦也学习了赫兹选集和在电磁学中所用的符号，这些符号他以后经常使用。爱因斯坦看到赫兹的第一批内容深刻的文章是：1884年发表的“麦克斯韦电动力学基本方程”、1890年发表的有意识地冠以“关于动体电动力学的基本方程”题目的文章。即使这位伟大的电磁实验家也未明确提到以太实验，但在现今的相对论起源的讨论中，以太实验似乎是很重要的。
赫兹著作的另一个作用是促使爱因斯坦转向了马赫，因为赫兹把许多思想都归功于马赫的《力学》一书。这三位德国物理学家对爱因斯坦的影响是显而易见的。
据美国著名科学史家、爱因斯坦问题研究专家霍耳顿考证，无论从形式或从内容来看，爱国斯坦1905年的论文都不能恰当地解释为属于洛伦兹—彭加勒系列，或麦克斯韦—亥姆霍兹—玻耳兹曼系列，甚至是基尔霍夫—马赫—赫兹系列。一位几乎被遗忘了的老师是弗普尔，他于1894年出版的《麦克斯韦电理论导论》一书直接影响了爱因斯坦的思考过程，从而导致了1905年的论文。
弗普尔的名字对德国老一代的科学家和工程师来说也许还能隐约记得，但对其他人来说也许全然无知。显然，他的名望与上述三位德国的著名物理学家不能相提并论，以致爱因斯坦在回亿中以“等人”二字略而未提。
由于弗普尔具有把麦克斯韦理论清楚地讲解给工程技术人员的能力，所以他的书很畅销。该书分为六个部分，其中第五部分特别有趣。这部分的题目是“运动导体的电动力学”，它的第一章是“由运动而引起的电动力感应”，第一章中的第一节是“空间中的相对运动和绝对运动”，它是以异乎寻常的议论开始的：“运动学即运动的一般理论的讨论通常基于下述公理：在物体的相互关系上只有相对运动是有意义的。在这里不能求助于空间中的绝对运动，因为手头如果没有观察和度量这种运动的参照对象，那么要发现这种运动就毫无意义。……根据麦克斯韦理论和光学理论，空洞的空间实际上根本不存在，即使所谓的真空也充满了以太介质”，“没有这一内容(以太)的空间概念是自相矛盾的说法，这就象没有树木的森林那样不可思议。完全空洞的空间概念根本不会受到可能的经验的支配；空洞的空间概念根本不会受到可能的经验的支配；或者换句话说，我们必须首先对这种空间概念做出深刻的修正，这种空间概念在它的原来的发展时期给人类思想打上了烙印。解决这一疑问也许成为当代科学最重要的问题。”
弗普尔在这里虽然并没有准备放弃以太或绝对运动，但他了解物理学最重要的问题在什么地方，这无疑对爱因斯坦是一种启示。作者以同样的方式继续写道：“当我们在下面利用相对运动的运动学定律时，我们必须谨慎地进行。我们没有必要把这种使用当做一种先验的确立的东西，例如不管磁铁在一个静止的电路附近运动，或者当磁铁处于静止而电路运动，定律的使用都是完全相同的。”作者还加上一个颇为熟悉的思想实验，他设想了第三种情况——导体和磁铁两者一起运动，它们之间没有相对运动。他说，在这种情况下，实验表明“绝对运动”本身在磁铁和电路无论哪一个上也不产生电力或磁力。这种思想实验足以表明，在原来两种情况中考虑的只是相对运动。
这一切，无疑对爱因斯坦具有极大的吸引力。事实上，就1905年论文的形式和风格而言，弗普尔思想的影响远比其他人更大，爱因斯坦1905年的论文就是以上述思想实验开始的。弗普尔的书给了爱因斯坦以具体指导，有助于爱因斯坦思路的展开，使他采取了—种大异其趣的方式，这种方式既不同于学校传授给他的，也不同于第一流物理学家著作中所使用的。凡是看过爱因斯坦原始论文的人都不难发现，该文在构思、形式、风格上，都与弗普尔的书有某些相似之处。当然，这并不是说，在弗普尔的思想与爱因斯坦的相对论之间存在着一种简单的因果链条。
对哲学和认识论的研究也极大地促进了爱因斯坦相对论的创立。在学生时代，爱因斯坦就对哲学兴味盎然。1902年3月下旬，他与新结识的朋友索洛文和早些时候认识的朋友哈比希特经常利用晚上举行聚会——他们恢谐地称这种聚会为“奥林比亚科学院”——讨论各种感兴趣的问题。在探讨科学和哲学最深奥的问题时，他们兴致极浓、劲头十足，往往引起长时间的热烈争论。这种聚会一直持续到1905年11月，使爱因斯坦获益非浅。
其间，他们讨论了休谟的《人性论》、马赫的《力学》、彭加勒的《科学与假设》以及其他人的有关著作。休谟关于实体和因果性的特别聪明而尖锐的批判对爱因斯坦的影响大概比较一般化，而休谟的时空观念对他的影响可能是直接的。
休谟认为，空间观念是建立在对象的排列基础上，这种对象是可触知的；而时间观念是建立在对象的连续的基础上，这种对象是能够变化的，可觉察的。至于马赫对爱因斯坦创立相对论的影响，前面已作了较为详尽的叙述。特别是彭加勒的书，对他们的印象极深，他们用好几个星期紧张地读它，彭加勒的科学思想和批判精神对爱因斯坦必定有所启示和激励。
相对论的创立并非一蹴而就。正如爱因斯坦1952年3月11日写结瑟林的信中所说：“在狭义相对论的思想概念和相应的结果发表之间大约经过了五、六周时间。但是，如果把这认为是诞生的日期，也许很难说是正确的，因为早在几年前，论据和建筑材料已经准备好了，虽然那时我还没有下根本的决心。”
的确，有关狭义相对论的思想概念在爱因斯坦的头脑里足足酝酿了整整十年。他后来回忆了自己思想的发展过程。
爱因斯坦从小就具有强烈的好奇心。当他还是一个四、五岁的小孩时，父亲让他看一个罗盘，他为罗盘针以如此确定的方式行动而惊奇不已，并留下了深刻而持久的印象。在十二岁时，一本欧几里得平面几何的小书使他经历了另一种性质完全不同的惊奇：书中的许多定理并非显而易见，但是却可以可靠地加以证明，没有丝毫怀疑的余地。爱因斯坦后来说：“这种‘惊奇’似乎只是当经验同我们的充分固定的概念世界有冲突时才会发生。每当我们尖锐而强烈地经历这种冲突时，它就会以—种决定性的方式反过来作用于我们的思维世界。这个思维世界的发展，在某种意义上说就是对‘惊奇’的不断摆脱。”
爱因斯坦在十五岁时，有一位来自波兰的犹太大学生向他介绍了《自然科学通俗读本》一书。尽管该书的内容已显陈旧，但丰富的材料和生动的叙述仍使他出神地读完了它。在这本书中，他碰到了对光速这—自然现象的分析，这在十二年之后对创立狭义相对论具有奠基性的意义。
当十六岁的爱因斯坦在瑞士阿劳州立中学上学时(1895年)，他就无意中想到一个悖论：如果以光速追随一条光线运动，那么就应该看到，这样一条光线就好像一个在空间振荡而停滞不前的电磁场。可是无论依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会发生这样的事情。从一开始，他在直觉上就很清楚，从这样一个观察者的观点来判断，—切都应当象一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样，按照同样的定律进行。这个悖论又使爱因斯坦感到“惊奇”，他为此沉思了十年。
实际上，这个悖论已包含有相对论的萌芽。当时，爱因所坦还是一个纯粹的经验主义者，热衷于用观察和实验来研究物理学的主要问题。第二年(1896年)进入苏黎世联邦工业大学后，他计划完成检测地球运动引起光速变化的实验，为此他设计出一个用热电偶测量两束方向相反的光所携带的能量差的实验。可是，他的老师不支持他，他也没有机会和能力建造这种设备，事情就这样不了了之。
其实，他也没有抱成功的希望，因为他对实验的结果疑虑重重。这时，他并不了解迈克耳孙—莫雷实验，即使后来知道这个实验，他也不会对该实验结果感到惊奇，因为这不过是确证了他的想法而已。可以看出，从很早的时候起，爱因斯坦就预想到相对性原理。
年轻的爱因斯坦深思了光现象和电磁现象与观察者运动的关系，他花了些时间企图修正麦克斯韦方程，因为麦克斯韦方程在静止系中是正确的，在相对于静止系匀速运动的系统中就不正确了。但是他没有取得成功。
爱因斯坦还试图用麦克斯韦、洛伦兹方程处理菲索关于菲涅耳拖动系数的实验。他相信，这些方程是正确的，它们恰当地描述了实验事实，它们在运动坐标系的正确性表明了所谓光速不变的关系，可是这与力学中的速度合成法则却格格不入。爱因斯坦尝试用某种方法将力学运动方程和电磁现象统一起来，他遇到了困难。于是他不得不花一年时间冥思苦想，在那个时候，他甚至考虑了光的微粒说的可能性。
这些年，爱因斯坦致力于用下述途径修正麦克斯韦方程：他想得到一种电磁现象和光现象的理论，在这种理论中，只有相对运动才具有物理意义。他给自己提出了一个与理论形式而不是与理论内容有关的问题。直到1900年普朗克开创性的工作后不久，他发现辐射在能量上具有一种分立结构，当然这种结构是与麦克斯韦理论相矛盾的，这时他才清楚地意识到，只靠纯粹的经验是行不通的。因此，他对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了，他确信，只有发现一个普遍的形式原理，才能得到可靠的结果。
当然，要使麦克斯韦理论与相对性原理协调起来，不变更传统的时间观念是根本不行的。正如爱因斯坦所说，“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，那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试，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。”自从突破了传统的时空观念之后，爱因斯坦高屋建瓴、势如破竹，只用了五、六周时间就一气呵成了相对论的第—篇论文。
爱因斯坦1905年6月完成的论文“论动体的电动力学”(发表在1905年9月的德国《物理学杂志》上)是物理学中具有划时代意义的历史文献。这篇文献好象“光彩夺目的火箭，它们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。”(德布罗意语)
这篇文献的“标题是很朴素的，但是在读它时我们立刻注意到这篇文章和同一类文章大不相同。它既没有文献的引证，也没有援引权威的著作，而不多的几个注脚也只是说明性的。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—大部分。……文章的陈述方式和行文的格式今天谈起来还是那么生气勃勃。”(英费尔德语)
论文—开始，爱因斯坦就开门见山地提出了一个思想实验：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那一个在运动。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：“绝对静止这个概念，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”。他接着便不假思索地说，“要把这个猜想(它的内容以后就称之为“相对性原理”)提升为公设。”紧接着又引入了另一条在表面上与前者不同的公设，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，他在空间的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，从一个座标系看来是同时的，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设推导出一个变换方程。由这个变换方程，爱因斯坦方便地得到了长度收缩、时钟延缓的结论和新的速度合成法则。
在“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，论文开头思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。
利用光能变换，爱因斯坦于同年9月在论文“物体的惯性同它所含的能量有关吗？”中推导出著名的质能关系式：E＝mc²，其中c是光速。爱因斯坦得出结论：物体放出E的辐射能与它的质量只减少E／c²相当，因此物体的质量是它所含能量的量度。爱国斯坦预言，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方向平面光波的思想实验的细致分析，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：“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的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出时间与空间、物质和运功、能量和质量、动量和能量(在四维世界中，能量和动量结合成“能量—动量矢量”，动量是这个矢量的空间分量，能量则是它的时间分量)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。
3、狭义相对论是一种崭新的理论
爱因斯坦的相对论论文一举清除了动体电动力学发展道路上的障碍，成功地提炼出新的基本概念，把人们的思想引向一个奇妙的新世界。但是，惠特克却无视这一切，他在其名著《以太和电学的历史置》(1953年)中就相对论的起源发表了一些不恰当的议论。该书第二章谈到这个问题时，其标题就是“彭加勒和洛伦兹的相对论”。继续读下去，爱因斯坦的名字只在一处出现，那里是这样写的：“爱因斯坦发表了一篇论文，把彭加勒和洛伦兹的相对性理论稍加扩充而重新提了出来。”我们在这里只简要地分析一下两种理论的主要差别，并顺便提一下洛伦兹和彭加勒对爱因斯坦相对论的态度。弄清这两个问题，惠特克的错误观点也就无地自容了。
洛伦兹和彭加勒两人的观点基本上是相同的。他们的理论(特别是洛伦兹的电子论)与爱因斯坦相对论的主要差别在于以下几点。
第一，两种理论的着眼点不同。前者认为力学处于一个优越的地位，电动力学是在经典力学的框架内发展起来的理论。后者却没有赋予力学以特殊地位。爱因斯坦认为，力学与电动力学是平权的，他关心的是二者之间关于运动相对性出现的不协调，他由此出发，力图找到一种新理论将二者统—起来，狭义相对论的基本公设正是力学和电磁学必须服从的共同原则。(顺便提一句，爱因斯坦的光量子论也是为了消除力学中具有分立实体的质点和电动力学中具有连续实体的场之间的不协调。)在当时，洛伦兹和其他同时代的物理学家对于物理学理论形式上的不协调却未做任何考虑。因此，爱因斯坦对不断涌现的新实验似乎没有多大兴趣。在1905年的论文中，他把那些知道的与不知道的、名目繁多的以太漂移实验轻轻地一笔带过。可是，几个思想实验对他来说似乎具有不可估量的吸引力。对于爱因斯坦来说，这也就足够了。
第二，两种理论的基础不同。前者把以太作为自己理论的基础。彭加勒把设想的新电动力学看作是能够最终解决以太问题的理论，他还说过：“除了电子和以太，就再也没有什么东西了。”洛伦兹从1875年完成博士论文直到他逝世前的讲话，都言必称以太，以太是他的电子论的基石，尽管他一度剥掉了以太的实体内容，但仍然保留下它绝对静止的性质。难怪—位作家把他的《电子论》巨著比作欧洲的一座辉煌的古堡，建造极为华丽，却仿佛有幽灵出没其中。爱因斯坦把以太幽灵彻底从相对论中清除出去，他的论文只有一处提及以太，那就是“光以太的引用将被证明是多余的”。
第三，两种理论的结构不同。前者归根结底是一种经验归纳理论，后者却是逻辑演绎的优美杰作。在彭加勒的心目中，相对性原理是一个经验定律，只要有一个反例，即可被证伪。
当考夫曼1906年宣布，他的关于高速电子荷质比的实验既不与爱因斯坦理论一致，也不与洛伦兹理论符合时，这使彭加勒陷入忧虑之中。提到考夫曼的结论，彭加勒认为“它似乎表明相对性原理并不具有诱使我们给予它的精确无误的价值。”彭加勒虽然承认不同参照系的观察者会测量到相同的光速，但是这种一致和不变性却是洛伦兹—裴兹杰拉德收缩的补偿效应引起的。
在彭加勒的心目中，存在着一个更受欢迎的参照系，即静止以太的参照系，在这个唯一的参照系中，光速才真正是常数。洛伦兹为了使电子论与实验事实相一致，竞在1904年的论文中人为地引入了十一个特殊假设，显得十分牵强附会。
而在相对论中，两条原理是作为公设而提出来的，加上同时性定义的四个特殊假设，以此为根据而推演出一套完整的理论，构成一个十分优美的逻辑演绎体系。正如爱因斯坦所说：“这理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完备性。从它推出的许多结论中，只要有一个被证明是错误的，它就必须被抛弃；要对它进行修改而不摧毁其整个结构，那似乎是不可能的”。对于考夫曼1906年的实验结果，爱因斯坦只是意味探长地保持沉默，他不相信自己推导出的理论会是错的。果然，1908年布歇雷尔发表了支持洛伦兹—爱因斯坦观点的实验数据，该数据比考夫曼的度量具有较大的精确性。到1916年，有两位法国物理学家指出了考夫曼实验装置上的毛病。
第四，两种理论的本性不同。概括地说，前者是动力学理论，后者是运动学理论。洛伦兹的长度收缩是作为一个特殊假说而提出来的，是一种实际的物质过程，是由于物质粒子之间的作用力在运动时发生变化，从而引起粒子之间距离的相应改变，因此这种收缩是绝对的。
在相对论中，长度收缩是从坐标变换得出的必然结果，它仅仅是由于不同参照系的观察者关于同时性的判断不一致而引起的，物质的结构和性质甚至不必予以考虑。也就是说，长度收缩是测量过程本身的产物，它是相对的，两根互相做等速运动的棒那一个缩短了，对不同的参照系来说其结论是不同的。可是，洛伦兹却认为，收缩不仅与同时性判断无关，而且这种判断的差别是毫无意义的。关于以太漂移实验的否定结果，在前者看来，其动力学效应确实存在，只是由于相反效应的互相补偿、抵消，所以在表面上显示不出来。
所谓光速不变，也是由于当地时间和真实时间的差别完全抵消了长度收缩效应，因而显示不出因运动而引起的光速变化。彭加勒对洛伦兹补偿理论的精神实质一直是满怀信心的。洛伦兹在1909年出版的《电子论》中也表明，他的理论与相对论的“主要差别”在于后者“使我们在诸如迈克耳孙、瑞利和布雷斯实验的否定结果中看到的不是相反效应的偶然补偿，而是—般的基本的原理的体现”。
爱因斯坦在他的1905年的论文中就公开申明：“这里所要阐明的理论——象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。”他接着指出，现存的理论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。”他后来甚至说，他的理论是涉及到刚性棒、理想钟和光信号的理论，根本不涉及物质的具体结构和动力学效应问题。
第五，两种理论变换式的来源、形式和意义不同。洛伦兹的变换式是为了数学上的方便而先验地引入的。严格地说，它只是v／c的一阶近似，且含有作为v的函数的系数L。而相对论的变换式却是从两个公设直接推导出来的，它是一个一般形式。更为重要的是，前者仅仅是—种数学技巧，洛伦兹并不清楚它的物理意义；而后者却包含着时空观念重大变革的意义，彻底否定了绝对时间、绝对空间以及时间和空间毫不相干的传统观念。
洛伦兹1927年谈到这一点时也承认：“因为必须变换时间，所以我引入了当地时间的概念，它在相互运动的不同坐标系中是不同的。但是我从未认为它与真实时间有任何联系。对我来说，真实时间仍由原来经典的绝对时间概念表示，它不依赖于参考特殊的坐标系。在我看来，仅存在一种真正的时间。那时，我把我的时间变换仅看作为一个启发性的工作假设，所以相对论完全是爱因所坦的工作。因此毫无疑问，即使所有前人在此领域的理论工作根本不曾做过，爱因斯坦也会想到它的。在这方面他的工作是与以前的各种理论无关的。”
由此观之，爱因斯坦的相对论与洛伦兹、彭加勒的理论有着质的不同。洛伦兹的电子论只不过是经典物理学的合理外延，爱因斯坦的相对论却是在抛弃经典理论框架后创立的新体系。洛伦兹煞费苦心地修补一条触礁的破木船，爱因斯坦却建造了一种新型的运输工具。
洛伦兹、彭加勒多年来一直受经典物理学理论的熏陶，他们又以自己的杰出贡献为经典物理学的神圣“庙堂”加砖添瓦，这使他们获得了不少赞誉。要使他们抛开自己的既得成果，那真是太难了，以致相对论的果子似乎被他们培育得即将成熟时，他们也不知道把它摘下来。不仅如此，甚至在爱因斯坦狭义相对论出现多年后，他们也迟迟不予接受。彭加勒对相对论长期保持缄默，他不可能没有看到爱因斯坦1905年的论文或它的法译文，因为他的德语极为娴熟，又经常向科学院成员作德国当前电动力学研究情况的报告。他恐怕认为相对论只不过是洛伦兹理论微不足道的一部分，不是一种符合他所要求的简单性、适应性和自然性的理论。
彭加勒在他的著作中还坚持以太观念，使用经典速度相加法则。到1909年，他还不愿说新力学已被证实了，甚至在他临死前一年(1911年)，他在给爱因斯坦写的推荐信中还说爱因斯坦“所走的道路之中大多数是死胡同”。
洛伦兹对相对论也很不理解。他后来虽然高度评价爱因斯坦的功绩，但对相对论却疑心重重，一直坚持自己的理论到生命的终结。他认为，物理学家可以根据自己习惯的思考方式来自由地选择理论，不管是以以太为基础的理论还是相对论。据玻恩说，他在洛伦兹逝世前看望洛伦兹时，洛伦兹对相对论的怀疑态度依然如故。