学文网摘 要：迈克尔逊-莫雷实验是科学史上极为著名的实验，对于它在爱因斯坦的狭义相对论创立中的地位与作用，一直存在较大的争议。霍尔顿及其支持者认为，该实验对狭义相对论的创立几乎没有起作用，也有一些学者对此提出了异议。本文在全面比较争论双方的论据之后认为，霍尔顿等人提出的证据更多，论证也更为充分。就目前的研究而言，迈克尔逊实验的确没有对爱因斯坦创立狭义相对论起直接的、重要的作用。
关键词：迈克尔逊实验；爱因斯坦；争论
迈克尔逊-莫雷（Michelson-Morley）实验（以下简称为迈克尔逊实验）是科学史上极为著名的实验，对于它在爱因斯坦（Albert Einstein）的狭义相对论创立中的地位与作用，一直存在较大的争议。对于这个问题，霍尔顿（Gerald Holton）的研究影响产生了很大的影响。但是，也有不少学者提出了反对意见。本文试***比较争论的双方——也就是霍尔顿及其支持者与持反对意见的学者——之间的观点与论据，并对这场争论背后的原因作出分析。
1、霍尔顿及其支持者的研究
1969年，霍尔顿在《爱西斯》（ISIS）发表《爱因斯坦、迈克尔逊和“判决性”实验》[1]一文，利用详尽的史料，对比了大量学者的观点，全面、细致地研究了迈克尔逊实验对狭义相对论的影响。在霍尔顿撰写此文之前的半个世纪以来，认为迈克尔逊实验和爱因斯坦的理论具有密切的血统关系，已经成了占压倒优势的观点。比如，密立根（Robert A. Millikan）认为，狭义相对论本质上起源于对迈克尔逊实验的一种概括。霍尔顿对这种观点提出了异议。
霍尔顿首先分析了这种观点背后的三个方面的原因。第一，令人困惑的迈克尔逊的实验结果和接受爱因斯坦相对论的困难，这两者的共生结合。迈克尔逊用以测量以太漂移的干涉仪是当时最精密的科学仪器之一，实验的设计和操作是完美无缺的，但却产生了一个在当时看来令人失望，甚至是不可理解的结果，以至于迈克尔逊本人都认为这个实验是失败的，也不认为他的实验结果具有重大的意义，其他许多的科学家也都感到迷惑不解。同时，爱因斯坦1905年发表的相对论也同样让人困惑不已。于是，在爱因斯坦的之后的10年当中，不可避免地出现迈克尔逊实验与相对论的共生结合。人们把迈克尔逊实验的结果看作是为理解相对论提供了一个实验基础，而相对论反过来又为之提供了一种解释。
第二，教科书中普遍存在关于二者之间有着密切联系的论述，霍尔顿称这种想象的科学史为“隐历史”（Implicit History）。有趣的是，霍尔顿列出的教科书还包括他自己1952年出版的《物理科学的概念与理论导论》，[2]可见当时这种看法在物理学教学中的普遍性。但是，教科书中却并未给出支持二者之间有密切联系的证据。教科书中之所以出现这样的情况，是因为它们对清晰、明确的归纳推理以很高的评价，而且经常选择有把握的实验来增加说服力。值得注意的是，国内一些教材或著作也倾向于把迈克尔逊实验与狭义相对论联系起来，即使没有明确指出二者存在直接联系，但在讲述爱因斯坦的狭义相对论之前，一般都会提到迈克尔逊实验。比如，刘大椿主编的《现代科技导论》[3]，江晓原主编的《科学史十五讲》[4]，吴国盛的《科学的历程》[5]，胡化凯的《物理学史二十讲》[6]，等等。
第三，实验论的科学哲学。实验论属于经验论传统，它认为实验和实验数据在分析科学家如何进行研究，以及如何把他们的工作汇入到公共的科学事业中去这些方面，具有毋庸置疑的优先权，这种哲学观点在20世纪初是一种广为流行的观点。霍尔顿列出了一些代表性的学者的论述，比如佩楚尔德（Joseph Petzoldt）、密立根、巴奇拉德（Gaston Bachelard）、赖兴巴赫（Hans Reichenbach）、格伦鲍姆（Adolf Grunbaum）、维恩（Wilhelm Wien）等人，他们都认为迈克尔逊的实验支持了爱因斯坦的相对论。霍尔顿把实验论者假想的历史也称之为“隐历史”。
针对错误的“隐历史”，霍尔顿把更为谨慎和严肃的学者们的历史研究称之为“显历史”（Explicit History），霍尔顿先后以布尔斯（Henry Boors）、贾菲（Bernard Jaffe）、香克兰（Robert.S. Shankland）、惠特克（Edmund Whittaker）、查尔默斯（T.W.Chalmers）、斯温森（Loyd S. Swenson）等人的观点为例进行说明，其中大多数学者持偏向否定的观点。霍尔顿特别详细地介绍了香克兰的研究，认为他的研究具有相当的可靠性和价值。
为了支持自己的观点，霍尔顿非常详细地分析了三方面的史料，即对爱因斯坦1905年狭义相对论论文的结构与内容的分析，爱因斯坦1905年的其他著作以及他早期的著作、评论与信件，还有1905年之后爱因斯坦的讲话与信件，等等，所有的材料都否定了迈克尔逊实验与狭义相对论之间有密切的联系。
最后，霍尔顿得出结论，迈克尔逊实验在爱因斯坦狭义相对论起源中所起的作用，看起来是如此之小和间接，以至于人们可以猜想，假如根本就没有做过这一实验，爱因斯坦的工作也不会受到任何损失。
霍尔顿的论据非常全面，论证也很缜密，他的观点产生了很大的影响，以至于后来的学者只要讨论狭义相对论与实验的关系，都会引用他这篇文章。1985年，霍尔顿来华讲学，他的思想在我国学者当中也产生了很大的影响。比如，李醒民在《论狭义相对论的创立》中，对霍尔顿的观点持肯定态度[7]（P58-59），杨建邺等也持同样的态度[8]；阳兆祥等人也认为，迈克尔逊实验在创立狭义相对论的过程中没有起决定性的作用。[9]
一些学者从其他方面支持了霍尔顿的观点。比如，米勒（Arthur Miller）认为，公理化的方法在爱因斯坦创立狭义相对论中起了重要作用。爱因斯坦在狭义相对论中使用的公理化方法是玻尔兹曼（Boltzmann）、赫兹（Hertz）、彭加勒（Henri Poincaré）、马赫（Ernst Mach）、维恩以及亚伯拉罕（Abraham）等人思想的综合，使得爱因斯坦摆脱了对以太漂移实验的过分专注，以戈尔地雅斯（Gordian）的方式大胆地解决问题。[10]（P191—216）也就是说，从方***的角度看，迈克尔逊实验在爱因斯坦创立狭义相对论的过程中，不会起到重要作用。
诺顿（John Norton）也赞同霍尔顿的观点。[11]他认为，光行差与斐索（Fizeau）实验比迈克尔逊实验对爱因斯坦的影响更大。这两个实验的重要性来源于他们对洛伦兹的本地时间概念提供了直接的实验基础，而在对相对性原理的再解释中，本地时间的概念发展成了同时的相对性，因此这两个实验为爱因斯坦发现同时的相对性提供了实验基础，从而在爱因斯坦的思想中获得了一席之地。[12]
总的来说，霍尔顿的观点在科学史与科学哲学界产生了很大的影响，许多学者都接受了他的观点。而且，他的观点在一些教科书中也得到了反应。[13]（P478）
2、对霍尔顿观点的质疑
虽然霍尔顿的研究产生了很大的影响，但并未出现一边倒的现象，也有一些学者对霍尔顿的观点提出了部分的质疑。
1982年，斯塔赫尔（John Stachel）发表了题为《爱因斯坦与迈克尔逊：发现的语境与证明的语境》的论文，他主要以京都演讲为依据，认为迈克尔逊实验在爱因斯坦把相对性原理推广到电动力学中发挥了一定的作用。尽管他也指出，迈克尔逊实验只是许多诸如此类的影响中的一个，但他明显是突出了迈克尔逊实验的作用。[14]
后来，不仅是斯塔赫尔，凡是强调迈克尔逊实验与狭义相对论有直接或者密切关系的学者，都把爱因斯坦的京都演讲作为一个重要的证据加以采用。比如，派斯（Abraham Pais）在其著作中也引用了京都演讲。[15]（P168—169）我国学者董晋曦也把京都演讲作为一个重要的证据，说明迈克尔逊实验在狭义相对论创立过程中的影响。他还认为，京都演讲是爱因斯坦的即席讲话，它的可信度还要更大一些。[16]
1987年，斯塔赫尔又发表《爱因斯坦与以太漂移实验》一文，试***根据新发现的爱因斯坦早期的通信，揭示爱因斯坦建立狭义相对论之前对以太漂移实验的关注，以证明这个实验对爱因斯坦产生的影响。斯塔赫尔详细考察了爱因斯坦的有关信件，并得出结论：“总之，新发现的与马里奇（Mileva Maric）的通信证明，爱因斯坦最迟从1899年起就关注动体电动力学的理论与实验的方方面面。他对以太漂移实验非常感兴趣，而且似乎还设计了至少两个实验，并且希望能够亲自实施这些实验。虽然一般来说他几乎肯定从1899年晚期起就知道了迈克尔逊—莫雷实验，但在他现存的自那段时间起的通信中并未提及该实验。因此，这些新证据可以证明霍尔顿的结论，至少在1899年至1902年期间，迈克尔逊实验在爱因斯坦的研究中并未起到显著的作用。但是，有关以太漂移实验的思想确实在他思考相关问题的复杂性方面起到了重要作用，而这些问题最终导致他发展出狭义相对论。”[17]可以看出，虽然斯塔赫尔表面上赞同霍尔顿的结论，实际上他的立场跟1982年的文章是一样的，倾向于肯定迈克尔逊实验对爱因斯坦的影响。 1
2009年，冬恩（Jeroen van Dongen）也提出了新的史料，以论证迈克尔逊实验对爱因斯坦的影响。他发表了《论迈克尔逊—莫雷实验的作用：爱因斯坦在芝加哥》一文。文中指出，1921年，爱因斯坦首次访问美国，曾在5月初访问芝加哥。5月3、4、5日三天（也可能是4、5、6日三天），爱因斯坦在芝加哥大学作了三场演讲，其中在帕克学院（Francis W. Parker School）的演讲谈到了迈克尔逊实验。爱因斯坦演讲的内容是由齐默曼（Zimmerman）小姐记录的，记录的打印文本可能不是对爱因斯所讲内容的完整的记载。不过，齐默曼的记录包括了一个完整而条理清楚的段落，论及爱因斯坦对狭义相对论的早期的思想。爱因斯坦说：“当我还是一个年青人时，我就对这个问题感兴趣，即，对一个物理学家来说，光的性质是什么？特别是，对于物体来说，光的性质是什么？当我还是一个小孩子时，我学到，光是光以太振动形成的。如果确实如此的话，人们应该能够观测到光以太，因此，我想是否可能通过某些实验来观测到地球在以太中的运动。但是，当我还是一名学生时，我发现，已经有人，特别是你们的同胞——迈克尔逊，已经做了这样的实验。他证明，人们不能在地球上观测到以太运动的任何效应，反而所有的现象如同地球是在静止的状态中那样进行。”[18]冬恩认为，这段话可能是对爱因斯坦所讲内容的完整而准确的记录，在下一段中，爱因斯坦接着讲广义相对论。冬恩把爱因斯坦的帕克演讲与京都演讲进行了比较，二者似乎一致表明爱因斯坦在学生时代就知道了迈克尔逊实验。
还有人对霍尔顿所使用的“判决性”实验概念的恰当性提出了质疑。亚当（Absalam Adam）考察了“判决性实验”的含义，他认为，迪昂对判决性实验的定义是，最终可以决定两个作出两种不同预言的相互竞争的假设的实验，迪昂还认为应该在相同的实验条件下检验两种不同的预言。亚当讨论了两个方面的问题，第一，迈克尔逊实验不是判决性实验这个术语标准意义上的判决性实验。迈克尔逊实验是如何被称之为判决性实验的？它只是检验一个假设，即存在“以太漂移”，也是对麦克斯韦（James Maxwell）对以太的解释的检验，因为没有两个相互竞争的假设，我们就不能象迪昂那样使用判决性实验这个术语。而且，这个实验的零结果证伪了麦克斯韦的以太理论，但是，以太理论仍然继续在科学家共同体中加以讨论，影响很大。也就是说，霍尔顿所说的“科学家共同体所持的基本信念”似乎并未得到挑战。第二，爱因斯坦对科学理论中实验的作用是如何理解的？霍尔顿忽略了这样的事实，在爱因斯坦的著作中，没有判决性实验这样的术语出现，而且爱因斯坦也不是在标准意义上使用实验这个术语的。虽然爱因斯坦也重视经验对理论的重要作用，但是，在爱因斯坦看来，理论的真理性不能由任何实验毫无争议地建立起来。总之，亚当认为，霍尔顿并没有正确地使用迪昂的术语，迈克尔逊实验不是判决性实验；霍尔顿把判决性实验视为转折点，认为在这之后科学共同体“真正地”重新考察其基本信念，这种说法是没有根据的。[19]
3、孰是孰非？
先来看看京都演讲的来龙去脉。1922年12月14日，爱因斯坦在日本京都大学作了一次题为《我是如何创立相对论的》演讲。不过，爱因斯坦并没有书面的讲稿，他是用德语演讲的，由日本人石原纯（Jun Ishiwara）翻译。石原纯是日本东北大学物理学教授，1912年到1914年曾在索菲末（Arnold Sommerfeld）和爱因斯坦指导下从事研究工作。1923年2月，石原纯用日文在日本的杂志Kaizo上发表了爱因斯坦的演讲笔记，而且，他的笔记是仅存的关于爱因斯坦京都演讲的笔记。1979年，绪川（Tsuyoshi Ogawa）在《日本科学史研究》上发表了对石原纯笔记的一部分的英文翻译。[20]但是，绪川的译本和石原纯的笔记，对于其他国家的学者并不容易获得，而爱因斯坦本人对他的思想起源的解释显然是很有意义的历史问题。鉴于此，小野（Y.A.Ono）对石原纯的笔记进行了完整的翻译，发表在《今日物理学》上，[21]我国学者大多引用的就是这个版本的中译本。
霍尔顿认为，这个广为流传的爱因斯坦的京都演讲是伪造的。[7]（P59）米勒进一步分析了爱因斯坦的京都演讲，他指出，爱因斯坦本人并没有写这篇文章，石原纯笔记的英译本是可疑的，可能是对石原纯已丢失的笔记原稿的重构。另外，石原纯在发表他的笔记之前，也没有将其寄给爱因斯坦并征得其同意。不过，石原纯在Kaizo上发表他的笔记时，他写了一个附加说明指出，这篇文章不是爱因斯坦所写，他本人对可能的错误负责。但是，这个附加说明却在后来的译本中被略去了，甚至于在石原纯本人编写的一本爱因斯坦的演讲集中也遗漏掉了。米勒认为，在小野的版本中，爱因斯坦只提到了迈克尔逊实验，没有提菲索实验，以及光行差和追光的理想实验，是令人吃惊的。而且，这个版本中还存在实际上的翻译错误。那么，为何小野要夸大石原纯的笔记呢？米勒认为，可能是因为香克兰的原因。小野是根据香克兰的建议翻译石原纯的笔记的，他当时呆在凯斯西储大学，而香克兰本人当时也在这所学校里。香克兰晚年坚定不移地努力证明迈克尔逊实验是爱因斯坦1905年思想的直接的、关键性的环节。[22]
从常理上推断，爱因斯坦本人没有留下关于京都演讲的手稿与文章，现存的文稿是日本学者根据爱因斯坦的德文演讲所作的笔记的英文译本，中间的语言翻译经历了从德文到日文，又从日文到英文的过程，其可靠性的确是可疑的。甚至于，板垣良一（Ryoichi Itagaki）指出，绪川和小野对石原纯的原文翻译存在根本性的错误。他认为，关于狭义相对论的那段话正确的翻译应该是：“但是，当我还是一名学生时，我的脑海里就有这些想法了，如果我知道了迈克尔逊实验的奇怪的结果，并且把它视为一个事实的话，我可能会直觉地认识到，我们认为地球相对于以太运动是错误的。”[23]
至于后来，冬恩发现的史料似乎与小野版本的爱因斯坦京都演讲相印证。但是，如果石原纯的笔记是正确的，板垣良一的翻译又更忠于原文，那么爱因斯坦在学生时代可能根本就不知道迈克尔逊实验！那么，冬恩的文章的映证关系就不存在了。而且，冬恩提出的证据，与爱因斯坦的京都演讲的性质是一样的，都是他人根据爱因斯坦的演讲所作的笔记。显然，我们应该对冬恩论文中的新史料作更深入的考察分析。
对于亚当的批评，霍尔顿也进行了回应。他认为，他并不赞同迪昂对判决性实验的理解，也没有打算对判决性实验进行说明。相反，他的论文是对许多科学家与教师试***在迈克尔逊实验与爱因斯坦关于狭义相对论的创造性工作之间建立一种密切联系的现实情况作一种历史的考察。通过考察大量已发表和未发表的文献，霍尔顿发现爱因斯坦持否定的态度，即使其他人试***坚持这一点。霍尔顿仍然坚持自己在1969年发表的文章中的观点，他所发现的证据表明，迈克尔逊实验对爱因斯坦的影响不是直接的和关键性的，也不是完全没有的，而是微不足道的、间接的。[24]确实，霍尔顿的证据是充分的，论证是有力的，即使他对“判决性实验”的概念没有进行必要的澄清，也不影响他的论文的重要意义与贡献。
这样看来，争论的这两方中，霍尔顿及其支持者提出的证据更多，论证也更为充分。虽然斯塔赫尔等人也发现了京都演讲、帕克演讲以及爱因斯坦的早期通信等新的证据，但是，京都演讲的可靠性是存疑的，帕克演讲的可靠性也有待进一步证实。即使爱因斯坦早期的通信中有不少关注以太漂移实验的内容，但没有一处明确提到迈克尔逊实验，这本身就足以说明迈克尔逊实验并没有引起爱因斯坦很大的注意。如果这个实验真的对他产生了很大的影响，他极可能会在信中提到的。
4、争论的背后
总的说来，导致这场争论的主要原因有以下两个方面：
第一，对史料的不同选择与解读。科学史家自然都选择对自己有利的史料进行论证，这无可厚非。但是，在史料的使用中，也有必要对史料进行一定的鉴别。对于爱因斯坦的京都演讲这种颇有争议的材料，更应该加以分析，谨慎使用。但是，许多把爱因斯坦京都演讲作为正面材料来使用的学者，都没有对其进行必要的分析与讨论。显然，爱因斯坦的京都演讲中的说法，与他大多数其他的说法不一相致，而且是从别的语言翻译过来的，我们就更应该警觉，对其来源、可靠性等进行必要的分析。尽管冬恩发现了别的史料，可以与爱因斯坦的京都演讲相呼应，但是，冬恩发现的史料也是个人所做的笔记，并没有其他材料相印证，在这样的情况下，我们应该更多地以爱因斯坦本人的说法和那些可以相互印证的材料为准。
另外，爱因斯坦在不同的场合说过相互矛盾的话，这也是产生争论的一个主要原因。对于爱因斯坦在不同场合的矛盾论述，争论的双方有着不同的解释。霍尔顿注意到，当爱因斯坦用被动语态回答问题或履行义务时，他说过，迈克尔逊实验对于其他物理学家进一步发表和接受相对论有重要性。但当他用第一人称明确地提到这个实验对他自己的影响时，他却说这种作用是“可忽略的”、“间接的”、“相当间接的”、“非决定性的”，或者至多说，在有条件的意义上，是“相当大的”。[25]（P153）也就是说，爱因斯坦在公共场合与私人场合对迈克尔逊实验的评价是不一样的。对霍尔顿观点持反对意见的学者通常以爱因斯坦的哲学立场来说明他对迈克尔逊实验的态度。比如，派斯利用爱因斯坦对数学在物理学中的作用的强调，来解释爱因斯坦为何小看迈克尔逊实验的作用。[15]（P250）冬恩认为，爱因斯坦后来从事的科学研究，与经验科学没有多大关系，而且他后来成为一个“有信仰的理性主义者”，实验的作用在爱因斯坦物理学实践和哲学思想中均失去了重要性，所以导致爱因斯坦贬低迈克尔逊实验的作用。[18]
众所周知，爱因斯坦是一位非常谦虚的人，他不喜欢突出自己的贡献，而是倾向于给别人以荣誉。姑且不考虑京都演讲和帕克演讲的可靠性，爱因斯坦在公共演讲时突出迈克尔逊的贡献，也是与他的人品相一致的。至于他当时讲这些话时（如果他确实讲了的话）的真实想法，我们就不得而知了。其实，在关注科学家的言论的同时，我们应该更多地关注他们的行动，特别是他们所从事的科学研究活动与成果。正如爱因斯坦本人所说的那样，“如果你们想要从理论物理学家那里发现有关他们所用方法的任何东西，我劝你们就得严格遵守这样一条原则：不要听其言，而要观其行。”[26]（P312）
第二，科学史研究者个人的偏好。每一位学者会对同样的问题有不一样的回答，这可能与他们先入为主的主观目的、个人的思想背景和哲学倾向等许多因素有关。霍尔顿努力论证迈克尔逊实验对爱因斯坦创立狭义相对论几乎没有起作用，主要的原因可能是他试***强调狭义相对论是爱因斯坦个人的创造，以反驳惠特克的观点，这在《狭义相对论的起源》一文中已经明显地表现了出来。[25]（P17—37）而且，强调爱因斯坦科学成果的新颖性，是霍尔顿的爱因斯坦研究的一个显著特点。
作为同样著名的科学史家的斯塔赫尔，为何又偏于强调迈克尔逊实验的作用呢？这可能与他对爱因斯坦的科学哲学思想的理解有关。笔者没有发现斯塔赫尔专门论述爱因斯坦的科学哲学思想的论著，不过，前面提到的斯塔赫尔的两篇文章发表于1982年和1987年，间接的证据表明，斯塔赫尔在20世纪80年代认为，爱因斯坦的哲学思想倾向于马赫的经验论。[27]那么，斯塔赫尔强调迈克尔逊实验对爱因斯坦的影响就不足为怪了。
到目前为止，虽然有不少学者持与霍尔顿不同的观点，但他们提出的反对证据，总的来说是不充分的。可以预想，如果发现了新的史料，学者们还可能就此问题展开争论，也可能会帮助我们更全面、更准确的理解这一问题。就目前的研究而言，迈克尔逊实验的确没有对爱因斯坦创立相对论起直接的、重要的作用。当然，我们说迈克尔逊实验没有对狭义相对论的创立起决定性的作用，并不是贬低它在科学史上的意义，相反，它永远都是科学史上光辉的一页。
参考文献：
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Did Michelson-Morley Experiment Really Help Einstein？
DU Yanyong
（School of History and Culture of Science，Shanghai Tiao Tong University， Shanghai 200240， China）
Abstract： Michelson-Morley experiment is well-know experiment in history of science and there is a long-time debate about its function in the origin of Einstein’s special relativity. Gerald Holton and his supporters argue that this experiment just plays very small and indirect role to the genesis of special relativity while John Stachel et al hold the opposite opinion. This essay compares their evidences and argues that Holton and his supporters provide much more evidences and more sufficient demonstrations. That is to say， Gerald Holton and his supporters are right so far.
Key words： Michelson Experiment； Einstein； Debate
基金项目：国家社会科学基金青年项目（11CZX016）；
作者简介：杜严勇（1976- ），男，四川南充人，科学史博士，上海交通大学科学史与科学文化研究院讲师，研究方向为科学史、科学哲学。
2 笔者在与美国圣母大学哲学系霍华德（Don Howard）教授的讨论中，他告诉我，实际上斯塔赫尔与霍尔顿就这个问题有很大的分歧，两人进行了长时间的争论。
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