迈克尔逊实验真的帮了爱因斯坦吗？
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。本文试图比较争论的双方——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，在爱因斯坦的论文发表之后的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（Hey 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（Hei 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，从方法论的角度看，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。