时间的形状：相对论史话-2

自然和自然的规律隐藏在黑夜里，上帝说：降生牛顿！于是世界就充满光明。看看，诗人就是诗人，你说牛顿哪里还是个人，简直就是神的化身啊。你说就这么一个神一样的人物，用了自己生命的一半时间去研究炼金术，这世界上还有谁能比他炼得更出色？牛顿炼金炼累了，顺便想一下物理、数学、天文的事情，想出来的东西就够我们后人仰视一辈子了，这样的人如果还不是史上最牛炼金术士，谁敢是？但我们毕竟要说的是相对论，因此，说牛顿，我只谈他跟相对论有关的内容，牛顿在其他方面的成就我就不再多说了。牛顿的绝对运动观下面，我要虚构一段牛顿在剑桥大学给物理系的新生们授课的场景。有史料表明牛顿的讲课水平出奇的烂，据说常常在他的课堂上，到第一节结束的时候，座位上的学生已经寥寥无几，牛顿只好对着空荡荡的教室快点把剩下的内容讲完，然后匆匆回到实验室做研究去。以至于后来牛顿把每节课的时间减少到15分钟，这样才不至于要对着空气讲课，可见，牛顿实在不能算得上一个称职的老师。但为了让各位可敬可爱的读者能坚持看下去，我会尽可能地把牛顿的这个短板补上，把这个课讲得有趣一点。特别申明，场景和对话纯属虚构。牛顿说：“同学们，上课了！下面开始点名。Tom,ok,Jerry,ok，嗯，不错，今天来了两个，比昨天多了一个。今天我们要讲的是时间、空间和运动。“我们假设有一艘船正以10米/秒的速度开着（画外音：船，怎么又是船，我说你就不能新鲜点吗？换个火车啥的。唉，我也不想啊，那个时代没有火车、飞机、火箭，能开的东西不是马车就是船，所以那会儿的物理学家一说起运动，就只能说船，但我跟你保证我们这本书的后面不但有飞机还有宇宙飞船，包你过瘾），Tom，现在我把你扔在船尾，你以1米/秒的速度朝船头方向走动。Jerry，你站在岸上，我想问一下，Tom在你眼里的速度是多少？Jerry，Jerry，这才刚开始你怎么就打瞌睡了，振作点，这还有读者呢！好吧，Jerry，看在你这么诚恳地看着我的分上，我就不难为你了。“我们利用伽利略变换式可以很容易的就算出，在Jerry的坐标系里面，Tom的移动速度是船的移动速度加上Tom自己走路的速度，也就是10+1=11米/秒。“那么，问题一：如果Jerry自己在岸上用2米/秒的速度和船做同方向运动，在Jerry眼里Tom的速度是多少呢？问题二：如果Jerry和船做着反方向运动，在Jerry眼里Tom的速度又是多少呢？“我们再次利用伽利略变换，可以算出，问题一是10+1-2=9米/秒，问题二是10+1+2=13米/秒。Tom＆Jerry，你们的老师我如此婆婆妈妈啰啰唆唆地问你们这些看似很无聊的问题，是希望你们能自己总结出速度合成的规律，给出速度合成的定理。怎样，你们俩个谁先表现一下？”正文 第16节：伽利略和牛顿的世界(8)Tom举手，说：“教授，我知道了，假设A的速度是v，B的速度是u，那么他们的相对速度w的公式是：w=v±u“取加号还是减号关键看两个速度的方向，如果一致就取减号，否则取加号。”牛顿说：“非常好。那么，Jerry，你同意Tom的结论吗？”Jerry说：“我完全同意，教授。我想补充说明的是，速度到底是多少，绝对不能脱离参考系，同样运动的物体，在不同的参考系中，速度是完全不一样的。比如，在我眼里Tom的速度是11米/秒，但是如果从一个站在太阳上的人眼里看来，Tom的速度还得再加上地球绕太阳运行的速度。”Tom说：“我再补充一句，当我们说某某的运动速度是v的时候，必须先设定该速度的参考系，否则就会失去物理意义。按照这个道理，速度也不存在绝对的快慢。当我站在船上Jerry站在岸上，在船上飞舞的苍蝇眼里，Jerry运动得比我快；反过来，在岸上飞舞的苍蝇眼里，我运动得就比Jerry快。”牛顿说：“说得很好，你们两个今天果然精神多了，有观众和没有观众真是不一样啊。但是接下来我就要问你们一个有深度的问题了，请问，什么东西可以做参考系？”Tom＆Jerry异口同声地说：“任何东西都可以做参考系。”牛顿说：“很好，那空间本身是不是也可以做参考系？”Tom＆Jerry：“呃……这个，还真是没想过这么深奥的问题。”牛顿说：“请你们想象一下，宇宙中充满了空间，宇宙延伸到哪里，空间就延伸到哪里。这个巨大的空间本身代表的就是宇宙的母体，处处均匀，永不移动，所有的东西，天上的星星，地上的蝼蚁，我们所居住的地球都在这个空间中运动。如果把空间本身看做是一个参考系，这个参考系就是一个‘绝对空间’，所有物体在这个参考系中的运动速度就是一种‘绝对速度’，他们就可以比较快慢了，我们会发现，原来地球的绝对运行速度比太阳的绝对速度要快。”Tom说：“教授，您的这个思想真是太深刻了，学生佩服。”Jerry说：“可是，我还是有点无法理解。”牛顿说：“Jerry，在上帝的眼里，我们的宇宙就像一个巨大的玻璃球，玻璃球中充满了水，水安安静静地待在那里，没有一丝一毫的流动。太阳星辰和我们就像水中的鱼儿一样在里面游动，鱼儿感受不到水的存在，我们也同样无法感受到空间中的某样实体的存在。亲爱的Jerry，就像水充满宇宙这个大玻璃球一样，我们的宇宙也被一种叫做以太的物质充满，宇宙万物的运动都相对于这个以太有一个绝对速度。你能理解了吗？亲爱的Jerry。”Jerry说：“是的，教授，我理解了。但是，您说的这个以太总是让我心里有点不安，因为他无法被我们所感受到，根据我们老家奥卡姆很流行的一句话来说，似乎这样的东西就跟没有是一样的。教授，您能设计一个实验来证明绝对空间的存在吗？”正文 第17节：伽利略和牛顿的世界(9)Tom说：“我说Jerry，你是不是想多了，教授是多么伟大的人，他的思想还能有错吗？”牛顿说：“不，Tom，别这么说，我可不是胡克（牛顿当时很讨厌的一个物理界的权威，他发现了胡克定律，也就是弹性定律，我们中学都学过）那个小矮子，不容得别人质疑。我是站在巨人肩膀上的人，当然比胡克那个小矮子看得远点，哈哈哈！Jerry，你提的问题很好，我已经想到了一个思维实验来证明绝对空间的存在。”牛顿水桶实验中的绝对时空观牛顿转身在黑板上画了一个大大的水桶的俯视图，又在水桶的里面画了一些水，要不是牛顿一边画一边解释这是什么，Tom＆Jerry都会以为牛顿在画大饼。牛顿说：“我们下面来做一个水桶实验。Jerry你看到我画的这个装着半桶水的水桶了吗？外面这一圈就是桶壁，里面都是水。图2-6：牛顿的水桶实验“现在Jerry你想象你的身体突然缩小了，缩得很小，然后我把你固定在水面附近的桶壁上，让你可以很方便地看到水的状态。注意了，我现在用一根绳子把水桶给吊起来，然后我把水桶这么用力一转，于是水桶就转起来了。Jerry，你在水桶里面感觉好吗？”Jerry说：“教授，感觉很不好，我的头要晕了，我的眼睛在冒金星。”牛顿说：“坚持住，孩子，集中精神，观察水面。”Jerry说：“放心吧，教授，我能坚持。”牛顿说：“Tom，我已经跟你们讲过我的第一运动定理，物体会保持自己的惯性。所以，水桶在刚刚开始旋转起来的时候，整个水体因为要保持惯性，所以不会马上跟着转起来，水桶会转得比水快很多，这一点不用怀疑。那么在水桶刚开始旋转起来的时候，在Jerry眼里看来，水相对于他开始转动起来了，我们现在向Jerry求证一下，看看是不是这样。Jerry，快点告诉我你看到了什么？”Jerry说：“教授，我听到你跟Tom说的话了，正如你所说，我看到水转动起来了。”牛顿说：“很好，Jerry，我们都知道一个旋转的物体会产生向外的离心力（准确地说是向心力），这个离心力表现到一个呈圆柱形的水体中，就会使得水面中心向下凹陷，这是我们在生活中经常观察到的现象。Jerry，你看下水面发生了什么？”Jerry说：“教授，我看到水面依然平静如故，没有往下凹陷，这可真奇怪了，我明明看到水在围着我转动啊？”牛顿说：“Tom，看到了吧，在我们眼里，转动刚开始的时候水面不凹陷非常正常，因为在我们眼里水由于惯性还没转起来嘛。换句话说，水相对于绝对空间尚处于静止状态。现在我们稍等一下，因为水的黏着力，我们会看到最终水桶会带动着水一起开始旋转了，最后，水相对于桶壁上的Jerry来说，静止了。Jerry，你现在看到了什么？”Jerry说：“教授，我看到水越转越慢，越转越慢，现在已经不动了。哦天哪，太不可思议了，水面凹下去了，这真是我这辈子见过的最不可思议的景象，水面凭空就凹下去了，但是又没有旋涡，就好像水面上面有一个无形的大铁球把水给压下去了一样！”正文 第18节：伽利略和牛顿的世界(10)牛顿说：“你看，在Jerry眼中的神奇景象，在我们眼里看来平常无奇，原因很简单，此时的水相对于绝对空间开始旋转起来了，这个旋转的本质不因观察者所取的参考系而改变。好了Jerry，我现在把你复原，你回来吧。”Jerry擦着汗说：“这真是一次奇妙的经历，教授！”牛顿说：“让我们再来回顾一下刚才那个水桶实验，如果运动都是相对的，没有一个绝对参考系的存在的话，那么Jerry应该看到水面是先凹后平，但是实际上Jerry和我们一样都看到了水面是先平后凹的，这就是绝对空间存在的证明。”牛顿得意地说完，看着Tom和Jerry，俩人还愣着呢，一时半会儿反应不过来。牛顿的水桶实验虽然具备大智慧，但却并不能让所有人满意，物理学界对这个实验的质疑声从来就没有停过，但毕竟牛顿的光芒实在太耀眼了，其他人的声音很难发得出声响。Tom说：“教授，你的这个思维实验太伟大了，我折服了。”Jerry说：“教授，我恐怕一下子还不能完全理解，让我回去再想想。”牛顿说：“Jerry，看不见摸不着而又真实存在的东西有很多，不止是以太，还有一样东西，你也看不见摸不着，但是我们谁也无法否认它的存在，那就是——时间。你们说说看时间是什么？”Tom说：“时间就是生命，时间就是金钱，时间就是知识，时间就是胜利，时间就是丰收，时间就是灵感，时间就是思考。”Jerry说：“时间就是教堂的钟声，时间就是太阳的东升西落，是斗转星移，我说不清楚时间是什么，但我分明感受到时间在流逝。”牛顿说：“时间是它自个儿的事情，它真实存在但又与外在的一切事物都无关，它绝对地、均匀地流逝，不与任何性质相关，任何力量都无法改变它绝对不变的频率。威斯敏斯特大教堂的钟声12点整敲响，它就是12点整敲响，不会因为你在洗澡还是在跑步而改变它12点整敲响这个本质。Tom在伦敦，Jerry在巴黎，如果忽略声音的传播时间的话，当钟声响起的时候，你们都应当听到钟声，在听到的那一刹那你们俩若有心灵感应，你们会同时感受到对方传递的感受。时间对于世间万物都是公平的，上帝他老人家既像一个慷慨的施主又像是一个超级吝啬鬼，不论你是国王还是乞丐，他老人家从不……”此时，下课铃响了，Tom＆Jerry几乎是在和下课铃声响起的同时消失在教室门口了，消失速度之快甚至让牛顿都怀疑时间是不是真的存在。“……多给一点也不少给一点。”牛顿对着空气（他早就习惯了）把最后一句话说完，也夹着讲义走出了教室。牛顿的时空观符合我们大多数人的日常生活体验，因此，对于牛顿的这套思想体系我相信也很容易被各位读者所接受。况且，和牛顿的想法一样本身就是一件多么值得自豪的事情啊，牛顿是如同神一般的存在，他是当时物理界的泰山北斗，他是物理界的教皇，牛顿说出来的话就像是来自上帝的启示。牛顿的绝对时空观被郑重地写入他那本神书《自然哲学的数学原理》中，神书之所以是神书，因为用神书中所描述的定理可以精确地预测月食、日食发生的时间，精确到分秒不差，还能通过计算预言当时尚未被观测到的太阳系行星的存在（海王星），当预言被证实的时候，牛顿本人和他那本神书的声誉达到了空前的顶峰，再没有人怀疑神书中描述的任何事情，牛顿的经典世界观大有千秋万载、一统江湖之势。然而，就在牛顿死后又过了100多年，一系列的物理实验都得到了让人匪夷所思的结果，这些结果如此地让物理学家诧异以至于一次次地怀疑自己的实验设备是不是出了问题，但是所有的实验被一再地重复，而且实验结果都在无情地推翻着牛顿的绝对时空观，整个物理界都开始陷入了疯狂，物理学遇到了前所未有的危机。如若牛顿地下有知，一定会说：“上帝啊，这一切到底是怎么了？”如果说到目前为止，本书所说的一切都还让你觉得这个世界就是我所认识的那个天经地义的世界，那么，接下来发生的一切，都将慢慢颠覆你的常识，挑战你的思维底线。正文 第19节：光的速度(1)第三章?光的速度经过了漫长的前面两章的阅读，我们终于要开始真正进入到相对论的世界了，如果说相对论是隐藏在山谷中的桃花源的话，那么正是“光”引导着懵懂的人类拨开草丛，沿着蜿蜒的小溪进入一个幽暗的洞穴，穿出洞穴，然后一切豁然开朗，桃花源就在眼前。说相对论就必须要谈谈人类对光的传播速度的探索历程，你必须再耐着性子，压着对相对论到底是什么的强烈好奇，和我一起回顾一下人类和自然界中最普通也最神秘的光的故事（不是罗大佑的光阴的故事，而是光的故事），注意，这绝对不是废话，“光”是本书最重要的主角之一。伽利略吹响冲锋号在人类漫长的历史中，曾经大家一度认为光线的传播是不需要任何时间的，也就是光的传播速度无限大。这非常符合我们的常识，你在漆黑的房间里面划亮一根火柴，火柴的亮光发出的那一刹那，整个房间就被照亮了，谁也没有看到过自己的手先亮起来，然后是自己的脚再亮起来，再看到房间的墙壁慢慢从黑暗中显现出来。当太阳从山后升起来的那一刹那，地面上所有的东西都同时披上了金色的外衣，谁也没有看到过阳光像箭一样朝我们射过来。但是，在今天，连小学生都知道，之所以我们无法感觉到光的传播速度，不是因为光的传播不需要时间，而是光传播的速度竟然达到惊人的30万公里/秒。这是一个多么快的速度啊，如果用这个速度跑步，一秒钟可以绕地球7圈半。如果用这个速度从地球跑去月球，1秒钟多一点就到了，而目前人类最快的飞行器阿波罗登月飞船要飞4天。你可能很好奇，这么快的速度，到底是怎么测量出来的？这正是本章要讲述的故事——测量光速。但是所有参与这个故事的人都只猜到了开始，却没有猜到结局，人类对光速的测量本是一个普普通通的物理实验行为，没想到最后却给整个经典物理学说笼罩上了一层乌云。第一个对光速无限大提出质疑的人就是我们的老熟人伽利略先生。伽利略从哲学的角度思考，认为物质从一个地方到达另一个地方不需要时间是一件无论如何都无法想象的事情，上帝既然创造了空间，那么就不应该再创造出可以无视空间存在的东西。伽利略毕竟是伽利略，他不仅仅是停留在对光速无限大提出质疑的层面上，而且开始着手用实验来测量光速。正文 第20节：光的速度(2)我们来看看伽利略是怎么做的。伽利略一行四人，分成两组，分别登上两座相隔甚远的山峰，每组各自携带一个光源。很不幸的是，那个时代能够让伽利略他们挑选的光源只有两样：火把和煤油灯。伽利略他们只好带上两盏自己改良后的煤油灯，其实只是做了一个简单的改进，就是在煤油灯的一面加上了一个滑盖，这样亮光就被挡住了。如果把滑盖迅速地拉起，亮光就会照射出来，通过快速地拉动滑盖就能制造出从远处看来煤油灯一闪一闪的效果。除了两盏煤油灯外，还需要两只一模一样的钟摆计时装置（这种装置也是伽利略发明的，利用钟摆的等时性原理制成，是摆钟的前身），以及记录数据的纸笔。好了，这就是伽利略他们全部的装备。各位如果你们现在来到山顶，拿着这些装备，得到的任务是测量光速，你会怎么办？你是不是会一筹莫展呢？且看我们的大科学家伽利略是怎么做的吧。在上山前，伽利略开始给队员们布置任务：“卡拉齐，你和我一组去A区，贝尼尼和卡拉瓦乔一组，你们去B区。我和贝尼尼负责掌管煤油灯，卡拉齐和卡拉瓦乔负责数据记录。贝尼尼，你给我记住，当看到我的煤油灯发出的信号时，你也立即拉开滑盖给我信号，我一看到你的信号我就会关上灯，然后你一看到我的灯灭了，你也赶紧把灯关上，我看到你关上了灯我就迅速的又把灯打开发出信号，于是你按照前面的步骤重复，我们就这么循环做下去，只要我给信号你就不要停。听明白了吗？贝尼尼。”贝尼尼说：“是！”看到这幅场景，如果不知道的人，保证以为伽利略是特种部队的头，正在打真人CS呢。伽利略说：“卡拉齐，卡拉瓦乔，你们两个负责记录数据，你们听好了，你们的任务是记录在钟摆的一个来回内，你们总共看到你们的同伴发出了多少次信号。任务大家都清楚了吧？还有没有问题？”众人齐声：“没有了！”伽利略：“有没有信心完成任务！”众人齐声：“保证完成任务！”于是，带着必胜的信念他们上山去了。伽利略的智慧是过人的，他已经有了用统计学的方法来消除误差的想法。他很清楚，他们在打开关闭煤油灯的过程中，必然会有很多来自方方面面的误差，要消除这个误差，就必须重复做大量的次数取均值。你可以想见在那个寒风凛冽，伸手不见五指的山顶（为了实验效果，他们还要特意选择没有月光、星光干扰的阴天），伽利略和他勇敢无畏的助手们为了探求光速的秘密，不知疲倦地做着开关煤油灯的机械动作，边上还有两个人一边数着煤油灯开关的次数，一边还要注意钟摆的摆动，其难度可想而知。然而不幸的是，虽然有必胜的信念，但却是一个不可能完成的任务。如果伽利略地下有知光速是每秒30万公里的话，他也只能用他的那句名言“追求科学需要特殊的勇气”来自嘲一下了。用煤油灯和钟摆计时器想要测量光速无异于把比萨斜塔抱起来去量一下细菌的长度。虽然如此，我们仍然要向伽利略致敬，是他吹响了人类向光速测量进攻的号角。正文 第21节：光的速度(3)光速测量大赛伽利略死后又过了30多年，也就是到了1675年左右，人类终于首次证明了光是有传播速度的，这个荣誉要授予一个丹麦天文学家，他的名字叫罗默（Olaf,Romer,1644-1710）。罗默特别喜欢观测木星（这是最容易在地球上看到的一颗星星，很大很亮，像我在上海，夜晚的灯光很亮，天上只能看见少数的几颗星星，一般来说，那颗最亮的，那颗像灯泡一样挂在天上的星星就是木星）。当年伽利略第一个发现木星原来也有卫星，而且至少有四颗，这四颗卫星围绕着木星公转，从我们地球的角度看过去有时候这些卫星会转到木星的背面去，于是就产生了如同我们在地球上看月食一样的现象，木星的卫星慢慢地消失，然后又在木星的另一侧慢慢出现。罗默对木星的“月食”现象整整观察了9年，积累了大量的观测数据。他惊奇地发现，当地球逐渐靠近木星时，木星“月食”发生的时间间隔也会逐渐缩小，而当地球逐渐远离木星时，木星“月食”发生的时间间隔也会逐渐变大。这个现象太神奇了，因为根据当时人们已经掌握的定理，卫星绕木星的运转周期一定是固定的，不可能忽快忽慢。罗默经过思考，突然灵光一现：我天，这不正是光速有限的最好证据吗？因为光从木星传播到地球被我们看见需要时间，那么地球离木星越近，光传播过来的用时就越短，反之则越长，这用来解释木星的“月食”时间间隔不均现象那真是再恰当不过了。罗默的计算结果是光速是22.5万公里/秒，已经和真相差得不远了。罗默最大的贡献在于他用翔实的观测数据和无可辩驳的逻辑证明了光速有限，并且还精确地预言某一次“月食”发生的时间要比其他天文学家计算的时间晚10分钟到来，结果与罗默预言的分毫不差，从此，光速有限还是无限的争论画上了句号，整个物理学界都认同了光速是有限传播的。接下来的事情就像一场比赛，大家比赛看谁能更精确地测量出光速。在这场比赛中，有两大阵营，就是天文学家阵营和物理学家阵营。天文学家用天文观测的方法来计算光速（除了利用我们前面说到的类似罗默观测木星卫星的方法来观察其他行星的卫星，还有一种方法叫光行差，这里不多介绍，有兴趣的可以自己网上查），而物理学家试图在实验室中精确地测量出光速。刚开始，天文学家一直跑在前面，毕竟光的速度太快了，在天文的大尺度范围内显然更容易观测到因为光速有限而产生的各种天文现象，但对实验物理学家来说，要想让实验的精度提高到足以测量光速，那真是比登天还难。不过，普通大众总是更愿意相信实验室中的数据，毕竟天文观测离我们太遥远，人们迫切地希望能在实验室中真正测量出光速来，毕竟看得见摸得着的实验设备还是更让人觉得温暖一点，但是想要提高实验精度谈何容易。因此一直到罗默证明光速有限后又过去了170多年，直到1849年，法国物理学家菲索（1819-1896）想出了一个绝妙的主意来测量光速，这个点子实在是太棒了，下面我们来看看菲索的旋转齿轮法是如何测定光速的，凡是见过这套实验设备的人无不拍案叫绝。正文 第22节：光的速度(4)菲索的旋转齿轮法的原理图如下：图3-1菲索的旋转齿轮法测量光速的原理图一束光穿过齿轮的一个齿缝射到一面镜子上，然后光会被反射回来，我们在这个镀了银的半透镜后面观察（这种镜子有种特殊的性质，就是一半的光会被反射掉，一半的光会被透射过去，这种现象一点都不稀奇。你在家里对着窗户朝外看，如果明暗合适，就既能看到自己的影像又能看到外面的景物，这就是光的半透射现象），你想一下，如果齿轮是不转的，那么被反射回来的光原路返回，仍然通过那个齿缝被我们看到。此时，你开始转动齿轮，在刚开始转速比较慢的时候，因为光速很快，光仍然会通过这个齿缝回来。但是当齿轮越转越快，越转越快，到一个特定的速度时，光返回的时候齿缝刚好转过去，于是光被挡住，我们就看不到那束光了。当齿轮的转速继续加快，快到一定程度时，光返回的时候恰好又穿过下一个齿缝，于是我们又能看见了。这样的话，我们只要知道齿轮的转速，齿数，还有我们的眼睛距离镜子的距离，就能计算出光速。注意，这个实验的最伟大之处就是不再需要一个计时器，之前所有的实验室测量光速都失败的根本原因都在于找不到有足够精度的计时器。但是你们也别以为菲索很轻松，事实上因为光速实在太快了，菲索只能不断地加大光源到镜子的距离，这样就对光源的强度提出了更高的要求，还要不断地提高齿轮的齿数，因为齿数太少精度也不够。就这样，在菲索不懈的努力下，终于当齿数上升到720齿、光源距镜子的距离长达8公里之遥、转数达到每秒12.67转的时候，首次看到了光源被挡住而消失。当转速被提高一倍以后，他又再次看到了光源。菲索终于胜利了，他计算出了光的速度是31.5万公里/秒，这离光速的真相已经咫尺之遥了。光速测量的比赛还在继续，各种各样的新方法被发明出来，实验精度一步步地提高，但是我们就不再继续深究下去了。我只想通过前面的讲述让你明白人类在对光速的测量之路上是如何艰难跋涉的。光速也绝不是某人的凭空想象，是几代人的不断努力才发现的大自然的奥秘。但本章关于光速的故事才刚刚开始，好戏即将上演。惊人的发现菲索在实验室得到光速的20多年后的1873年，英国科学家麦克斯韦（Maxwell，1831-1879）出版了堪与牛顿的《原理》比肩的物理学经典巨著《论电和磁》，但这本书却不像《原理》那样一诞生就技惊四座、光芒四射。《论电和磁》刚开始的时候很难得到大多数人的认同，这也难怪，电和磁都是虚无飘渺的东西，对它们进行描述的理论总不像对小球的运动规律进行总结的理论让人觉得实在。麦克斯韦认为电和磁是同一种物质的不同表现形式，它们之间的性质和相互作用力被麦克斯韦用一组简洁优美的方程组所描述，这个方程组叫做麦克斯韦方程组。你只要随便翻看一本讲物理学或者科学史的书，基本上都会提到麦克斯韦方程组是数学美的典范，无数大科学家都被它的美所震撼，单从它完美的表现形式来说，它就不可能是错误的（事实上直到今天，所有经典物理学中的公式除了麦氏方程组以外，都被相对论所修正。唯独麦氏方程组仍然保留着简洁优美的形式，似乎添加任何一笔都是多余的）。不过，我不需要在这本书中把这个方程组写下来，我和各位读者一样也是电磁学的门外汉，无法体会它的美，如果读者当中恰好有这么一两个懂行的话，我相信麦氏方程组已经深深印在了他们的头脑中，也不需要我再抄出来。正文 第23节：光的速度(5)根据这一套优美的方程组，麦克斯韦预言了一种神奇的叫做电磁波的东西，麦克斯韦说：“随着时间变化的电场产生了磁场，反之亦然。因此，一个振荡中的电场能够产生振荡的磁场，而一个振荡中的磁场又能够产生振荡的电场，这样子，这些连续不断同相振荡的电场和磁场循环往复，永不停歇，就像一粒石子扔入湖中产生的涟漪，电磁场的变化也会像水波一样向四面八方扩散出去，这个扩散出去的电磁场我把它叫做——电磁波。虽然我现在还无法用实验的方法证明它的存在，但我坚信它一定存在。”很遗憾，天才麦克斯韦只活到48岁就死了，到死也没能亲眼见证电磁波的诞生。他死后没过几年，一位德国的青年物理学家赫兹（Hertz，1857-1894）接过了麦克斯韦的衣钵，终于在1888年，赫兹在实验室里发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。赫兹的实验公布后，轰动了整个物理学界，全世界的物理学家都纷纷效仿此实验，所有的实验结果都证明了麦克斯韦电磁理论是正确的，麦克斯韦方程组取得了决定性的胜利，麦克斯韦的伟大遗愿也终于得以实现。既然电磁波是一个波，那么它的传播速度就可以用频率乘以波长算出来，频率很好办，是由实验设备的各种参数决定的，而波长也不难测，只要拿着一个感应器找到波峰（感应电流最强）和波谷（感应电流最弱）即可算出波长，赫兹没有费多大劲就拿到了波长和频率，他把两个数值一乘，得出了电磁波的传播速度是31.5万公里/秒（限于实验精度，和真实的速度有误差），一个惊人的速度。等等，等等，我相信你和赫兹一样，看到这个数字突然觉得很熟悉，这个数字好像在哪里见过，31.5万公里/秒，31.5万，啊！这个数字不正是菲索旋转齿轮法测出的光速吗？难道天下竟有如此的巧合，这真是一个巧合呢还是说，还是说……光就是一种电磁波？赫兹被这个想法弄得兴奋不已。不光是赫兹，全世界还有很多的物理学家都因为这两个一致的数字在猜测光是不是就是一种电磁波。正所谓众人拾柴火焰高，很快，大量的实验数据接踵而至，各种电磁波和光的相同特性被发现，科学界很快就达成一致意见：没错，光就是一种电磁波。现在我们再从电磁波的角度来研究一下光的传播速度到底是相对于什么而言的。波的传播速度等于介质震动的频率乘以波长，因而这个速度是相对于介质而言的。比如我们熟悉的水波，当一颗石子扔到水中产生涟漪的时候，这些涟漪在产生的瞬间也就脱离了跟石子的联系，他们会在水中按照相对于水的恒定速度传播出去，因而我们在讲水波的传播速度的时候，隐含的参考系是水而不是那颗石子。同理，当我们谈论光的速度的时候，那么根据前面这种思想，隐含的参考系也不应该是光源，而是光的传播介质，但众所周知光是一种能够在真空中传播的东西，遥远的星光穿过空无一物的宇宙空间到达我们的眼睛里面，那么这个参考系、这个介质到底是什么？正文 第24节：光的速度(6)那不就是牛顿所说的绝对空间和以太（注意，以太这个词并不是牛顿发明的，牛顿是以太学说的主要支持者）吗？牛顿的绝对时空观在统治了物理学界200年后达到了顶峰，伟大的艾萨克?牛顿爵士，您的光芒无人能挡，您为物理学构建起了雄伟的大厦。现在，就差最后一个能证明以太存在的实验来为这座雄伟的大厦砌上最后一块砖。但俗话说盛极必衰，物极必反，人往往是在最得意的时候忘了看脚下的路而跌倒。既然已经知道了光相对于以太的传播速度是30万公里/秒，那么光速就成为了能证明以太存在的最佳证人，关键是要说服它出庭作证。我们看看让光速出庭作证的这个实验是怎么构想的：我们的地球以30公里/秒的速度绕太阳公转，在宇宙空间中飞行，换句话说，我们的地球在以太中高速地飞行，如果把我们的地球想象成一艘大船，我们站在船头，就会迎面吹来强劲的“以太风”，那么通过伽利略变换和速度合成公式，我们很容易得出光在“顺风”和“逆风”中的传播速度，这两个速度显然会不一样，至少要相差30公里/秒。我们只要能用实验证明以上猜想，那么就确定无疑地证明了以太的存在，物理学界举杯同庆，新世纪就要到来了，这个实验无疑将是献给新世纪最好的一份厚礼。具体的实验设计众望所归，落到了两位实验物理学的泰山北斗级人物身上，他们就是麦克尔逊（Michelson，1852-1931）和莫雷（Morley，1838-1923），这二位也的确是当仁不让的人选，尤其是麦克尔逊，此人一生痴迷于光速的测量。科学史上最成功的失败本章的压轴大戏即将上演，在上演之前，我必须提醒你本书中提到的所有实验你都可以看完之后忘掉，唯独这个“麦克尔逊莫雷实验”你千万不能忘掉，随便打开任何一本物理学史书，或者打开任何一本关于相对论的书，甚至随便打开一本科学史书，都一定会提这个实验。如果你记不住麦克尔逊莫雷这么拗口的六个字，那你也可以记住“MM实验”，很多书上都这么叫；如果你连“MM实验”四个字也记不住，那么你就记住“美眉实验”。总之，这个实验对于整个物理学史甚至对于整个人类的科学史都有着举足轻重的地位，它是给经典物理学带来狂风暴雨的两朵乌云之一。这个实验刚好是发生在世纪之交，怎么看都有一种史诗大片的感觉，它喻示着物理学在新旧两个世纪的交接。所以，我需要在这个实验上多花一番笔墨，让大家对这个实验了解得多一点。当你看完本书以后跟人闲聊的时候，如果还能记得聊一聊“MM实验”，将是笔者莫大的荣幸。（以下麦克尔逊和莫雷的对话纯属虚构。）麦：“莫雷，你先说说看，你对这个实验怎么想？”莫：“麦克兄（莫雷比麦克尔逊小14岁，所以莫雷尊称麦克尔逊一声兄，但听起来有点像是在说麦克风）,光速在顺风和逆风的理论差值是30公里/秒，而光速是30万公里/秒，这意味着我们的实验精度必须要达到万分之一才行，以我们现在的实验条件，似乎离这个精度还差得很远。”正文 第25节：光的速度(7)麦：“这个情况我很清楚，所以想听听你的想法，讨论一下我们怎么才能解决这个难题。”莫：“在短期内提高实验精度这条路估计是走不通的，我们必须绕开直接测量光速，要想一个什么间接方法来测量才行。”麦：“莫雷，我跟你的想法是一样的，肯定不能硬着头皮去测量，必须要想点儿什么别的办法。我想，我们是不是先把测量出绝对数值的目标放低一点，我们第一步先想出一个可以比较两束光谁快谁慢的办法。其实我们只要能先证明在顺风逆风中光速有差异，就迈出了胜利的第一步。”莫：“麦克，你说得很对，我们把达成目标分成两段，先想出第一段如何达成，你是不是已经想到什么好办法了？就别卖关子了。”麦：“我想到了英国人托马斯?杨（ThomasYoung，1773-1829）发现的光的干涉现象，我们或许可以利用这个特性来比较两束光的速度是否发生了变化。”莫雷突然转身面朝观众，说：“各位亲爱的读者，我给大家解释一下什么是光的干涉现象，听说你们现代人上高中的时候都要做这个光的双缝干涉实验。简单来说，就是把一束光照到两根互相靠的很近的狭长的缝隙上，在这个双缝的后面我们如果竖上一面白墙，我们就会在墙上看到明暗相间的条纹。图3-2光的双缝干涉实验“这是因为，光是一种波，同一束光被分成两束以后自己会跟自己产生干涉，所谓的干涉就是波峰与波峰相遇，强度就会增加一倍使得光更加明亮，而如果波峰与波谷相遇，则刚好互相抵消，光就会变暗，明暗相间的条纹就是这么来的。”莫雷转回去，朝麦克尔逊尴尬的一笑：“不好意思，收了作者的一点小意思，我跟他保证我们之间的对话要让读者能听懂的，请多多包涵哈，麦克风（一紧张把麦克兄说成了麦克风）。”麦克尔逊表示不介意，听说有观众，他表现得反而更积极了，他继续说：“如果我们能想出一个什么办法，让同一束光分别走不同的路线，一条路线是顺风的，一条路线是逆风的，然后让他们最终再会合到一起互相产生干涉现象，因为这两束光的速度不同，因此他们产生的干涉条纹一定和我们正常情况下做出来的干涉条纹有所区别，你说对不对，莫雷？”这句话看似对莫雷讲，麦克尔逊却有意无意地侧侧身子，似乎是想更多地引起观众的注意。莫：“麦克，你太牛了，这个点子实在是太绝了。”麦：“我还有更精彩的没说呢，在实验过程中，如果我们把整个实验装置慢慢转动起来，你说会发生什么？”莫：“我明白你的意思了，麦克。转动实验装置相当于偏转我们这艘地球大船相对于以太风航行的角度，那么两束光的速度也会相应地发生变化，最后反映到干涉条纹上的结果就是条纹会慢慢地移动！如果这个神奇的现象发生了，那么就确定无疑地证明了两束光的速度在发生着变化，麦克，你太伟大了！”正文 第26节：光的速度(8)麦克尔逊突然面朝观众，手里拿着张硬纸板，上面写着“鼓掌”两个字，很快又转回去了。麦：“这个利用光的干涉性质来证明光速变化的实验原理图我已经想出来了，我画出来给你看，关键就在于中间那块半透镜，它可以把光分成两路，一路被反射90度朝上，一路直接透过去。”图3-3麦克尔逊-莫雷实验原理图麦：“我发明的干涉检测仪现在可就大有用武之地了，它比我们肉眼观测的精度可不知提高了多少倍。我计算了一下，如果地球的航行速度真是30公里/秒的话，那么在整个实验装置转过90度以后，我们应该观察到干涉条纹移动了0.4个条纹的宽度，我的干涉仪可以分辨出0.01个条纹宽度的移动，因此，我们的实验精度绰绰有余。”莫：“不过这个实验装置要造起来也不容易，我们必须尽可能地消除地面震动带来的干扰，如果整个实验装置的底座不稳，则很可能前功尽弃。”麦：“这个问题我也想到了，我准备建造一个巨大的水泥台，并且把这个水泥台放到注满水银的水槽上，让水泥台浮在水银上面，这也就能有效地消除震动。”莫：“好的，麦克，你怎么说我就怎么办，别看我脑子没你聪明，可我年轻啊，我有力气啊，体力活儿你就交给我吧。”莫雷在制作实验器具方面确实是一把好手，没过多久，MM实验台建造完成。现在一切就绪，只欠东风了，牛顿的夙愿即将实现，经典物理大厦就要落成，物理界全都在翘首以待实验结果。所有人都对实验结果相当乐观，前有伟大的牛顿，后有做物理实验尤其是测量光速的泰山北斗，一切都应该合乎逻辑，没有人怀疑大结局必将以喜剧收场。这一年爱因斯坦还只有8岁（笔者听到电视中传出声音：唯一看破真相的是外表看似小孩，智慧却过于常人的名侦探柯南。不知道8岁的爱因斯坦是否看破了真相），此时的爱因斯坦正在痴迷地玩着父亲送给他的一个小小的罗盘（爱因斯坦在回忆录中经常提到这个罗盘），连头都没有抬起来看我一眼。然而，可能读者们已经猜到了，最终的实验结果大跌所有人的眼镜，麦克尔逊的干涉仪自始至终几乎没有观察到条纹的任何移动，干涉条纹就像被定格在了干涉仪里面，不论怎么旋转实验装置，干涉条纹都纹丝不动。本来这个实验计划要做半年，要分别测量地球在近日点和远日点时对干涉条纹的影响，因为地球在近日点和远日点的公转速度不一样。但是实验仅仅做了4天，就停止了，因为实验结果如此确定无疑地表明了光速没有丝毫变化，干涉条纹根本不动，实验值和理论预测值相差十万八千里，这个实验没必要继续做下去了，一定有什么地方不对。整个物理界一时哗然，大家都明白，要么是理论出了问题，要么是实验出了问题。但牛顿的绝对时空观和以太学说都是看上去如此完美的理论，而且也符合我们的日常生活经验，因此，当时的物理界也和此时的读者你一样不愿意相信是理论出错了，而都倾向于实验本身出了问题，于是冒出来各种各样的解释。有的说是以太会被地球所拖拽，这就是著名的拽引说，一度特别流行；也有的说是长度在运动方向上会发生收缩刚好抵消干涉变化；还有的说是光的速度还会受到光源移动速度的影响等等……总之，各种各样的解释一时风起云涌，这股热潮一直从19世纪延续到了20世纪。但从总体上来说，所有的解释都还是建立在相信牛顿的绝对时空，相信以太的存在，相信伽利略变换的成立基础上的，很少有人站出来质疑理论的根基是不是出了问题。19世纪最后一天的太阳落下山了，20世纪的曙光照亮了人类写满沧桑的脸上，人类文明经过五千年的艰难跋涉，即将在新世纪来临的时候迎来一次彻底的洗礼。正文 第27节：爱因斯坦和狭义相对论(1)第四章 爱因斯坦和狭义相对论1900年，20世纪的第一场雪似乎来得比以往时候更晚一些，这不是一个平静的年份。在中国，孙中山接任了兴中会会长，正式登上政治舞台，以后他成为了中国第一个共和制总统；随后，义和团运动达到高潮，八国联军攻入北京，慈禧太后和光绪皇帝仓皇逃出北京城；而沉睡了900年的敦煌莫高窟也在这一年被首次打开，中华文明史被重新发现；在欧洲，尼采死了，弗洛依德发表了他的传世名著《梦的解析》，巴黎正在举办世博会和第二届夏季奥运会。这一切，都带着创世纪的味道。两朵乌云4月27日，此时的英国伦敦，天气还有点阴冷。在阿尔伯马街上的英国皇家研究所门前，人来人往，一位绅士彬彬有礼地扶着贵妇人上了马车，一起赶去听普契尼的歌剧《波希米亚人》。马车驶过后，两位老太太望着马车远去，羡慕地讨论着刚才那个贵妇人的礼帽式样，在两个老太太的身边，一个个穿着考究，表情严肃的绅士们走进了皇家研究所的大门。老太太们不知道，这些绅士都大有来头，全是当时欧洲最有名望的科学家，他们风尘仆仆地从欧洲各国赶来参加科学大会，是科学界的一件大事。皇家研究所的主席台上，站着一位白发苍苍的老者，此人就是德高望重，而又以顽固著称，已经76岁高龄的开尔文勋爵（Kelvin，1824-1907）。他用他那特有的爱尔兰口音开始了他的演讲。“The beauty and clearness of the dynamical theory,which asserts heat and light to be modes of motion,is at present obscured by two clouds.The first came into existence with the undulatory theory of light,and was dealt with by Fresnel and Dr.ThomasYoung;it involved the question,how could the earth move through an elastic solid,such as essentially is the luminiferouse ther?”（读者：呃，开洋文，鄙视你！）各位听我说，说到演讲，马丁路德金的《I have a dream》在励志界是被引用最多的，但是在物理学界，开尔文的这段演讲是被引用最多的，所有关于物理学史的书一定会引用。虽然本书不是一本严谨的物理学史书，只是一本茶余饭后博得一笑的闲书，但我也不能打破行业潜规则，必须也要引用一下的。上面这段话的中文版本就很多了，五花八门，各种译法都有，考虑到我们都是物理学门外汉，所以我尽量用大家都容易理解的口语化的语言给大家翻译一下，至于精确性我就不管那么多了，业内人士尽管拍砖。开尔文演讲道：“在我眼里，我们已经取得的关于运动和力的理论是无比优美而又简洁明晰的，这个理论断言，光和热都不过是运动的某种表现方式（热是分子的运动，光是电磁波的运动）。但是我们却看到，在经典物理学这片蓝天上有两朵小乌云让我们感到有些不安。自从菲涅尔先生和托马斯?杨博士创立了光的波动学说以来，我们一直都在苦苦寻觅一个问题的答案，那就是：我们的地球是如何在以太中航行的，以太这种被我们称之为“弹性固体”的看不见摸不着的物质存在的证据又在哪里？这就是我要说的第一朵乌云。”正文 第28节：爱因斯坦和狭义相对论(2)毫无疑问，开尔文嘴里的这第一朵乌云就是指的麦克尔逊—莫雷实验不但没有能证明以太的存在，反而貌似恰恰证明了以太的不存在。估计大家还很好奇开尔文所说的第二朵乌云是什么，他所说的是黑体辐射实验的结果和理论不一致带来的困惑，这第二朵乌云牵出的又是一个长长的激动人心的故事，但这个故事不是本书的重点，再次推荐精彩程度远胜本书的曹天元著《上帝掷骰子吗？量子物理史话》，看完那本书你就知道这第二朵乌云意味着什么了。这第一朵乌云在我们耳朵里面已经隐隐的传来了雷声，很快就要遮云蔽日，掀起狂风大浪了，此时的物理学界，已经是山雨欲来风满楼了。巨星登场时间终于走到了1905年，这一年后来被人们称为物理学的奇迹年，100年后的2005年被定为“国际物理年”，全球举行了各式各样盛大的纪念活动，就是为了纪念1905年这个特殊的年份，或许人类文明再也不会出现这样的奇迹年了。这一年之所以被称为奇迹年，是因为本书的一号男主角在这一年中连续发表了五篇论文，每篇论文都像一颗耀眼的超新星照亮了世界，改变了物理学的纪元。下面让我荣幸地介绍我们的一号男主角——阿尔伯特?爱因斯坦先生。虽然在各位的心目中，爱因斯坦的形象早已经固化，乱蓬蓬的头发，满是皱纹的脸，矮小的身材，鹰一样深邃的眼神，在很多人的心目中，爱因斯坦就是一个老头子，这个老头子代表的就是科学。但是，爱因斯坦成为本书一号男主角的时候，可是一个只有26岁的英俊小伙子，完全不是你头脑中的那个形象。瞧瞧，这就是青年爱因斯坦，当然这张照片看起来像是十五六岁的少年爱因斯坦，不过从这张照片中去想象26岁的青年爱因斯坦的形象总比你头脑中的那个形象会更加准确一点。下面是爱因斯坦应聘本书一号男主角时投递的简历：姓名：阿尔伯特?爱因斯坦性别：男国籍：瑞士年龄：26婚姻：已婚职业：专利局三级技术员单位：瑞士伯尔尼专利局学历：苏黎世联邦工业大学物理专业本科毕业爱好：拉小提琴和思维实验成就：没有（没结婚就把女朋友的肚子搞大了，不知道这个算不算）如果这份简历被一个平庸的导演看到，那想也不用想肯定直接扔进垃圾桶，桌上堆积如山的简历最次的也是个博士，教授博导更是多如牛毛，怎么可能轮得上这个不知道从哪里冒出来的，专利局的一个小小的三级技术员呢。然而001毕竟是001（笔者的笔名），从堆积如山的简历中，把这份平庸到极致的简历挑了出来，上面的一句话引起了我的注意“爱好：拉小提琴和思维实验”，我老婆喜欢拉小提琴，而我喜欢做思维实验，这个人居然把我和我老婆的爱好集为一身了，肯定不简单。况且，他居然有勇气来应聘我们的物理史话的一号男主角，这个人要么就是凤姐和芙蓉姐姐的前世，要么就是真正的天才，于是我决定前往瑞士伯尔尼一探究竟。正文 第29节：爱因斯坦和狭义相对论(3)作为未来人的好处就是我可以看到爱因斯坦，但是他却看不到我，而且他脑中的思考可以直接被我听到，但这个神奇的能力只在回到过去的时候才能拥有，在我的时代，我不具备这个能力，所以各位下次见到我真人的时候不必惊慌，我跟你们一样也是个普通人。而我所说的回到过去，也仅限于我的思维能回到过去，但是并不能跟过去的世界产生任何交流，也无法影响过去的世界，我只是一个全能的观察者（科学原理：假设此时你能突然出现在距离地球100光年外的地方，你拿起天文望远镜朝地球看，你看到的就是100年前的地球，只要精度足够，你就能看清地球上100年前发生的事情的每一个细节，但是只能看，不能摸）。爱因斯坦作为一个三级专利员，他的工作主要是审查各种提交过来的发明专利是否具备原创性，是否符合专利申请的标准。最近一段时间，爱因斯塔发现关于远距离对时方面的发明专利申请特别多，这是因为火车得到快速的发展，这个钢铁机器居然比马车跑得还快，并且不知疲倦，只要给它不停地吃煤，它就能不停地跑，你给马不停地吃草只能把马撑死。因为火车跑得太快了，所以就催生了一个新的需求，就是要求能远距离对时。欧洲的各个城市之间都没有统一的时间标准，各个城市都拥有自己的地方时间，过去只有马车的时候，从一个城市到了另外一个城市只需要把自己的钟表根据当地时间调整一下即可，也从来没人觉得会遇到什么麻烦。但是火车出现后，情况可就变了，火车跑得那么快，如果两个城市之间的钟表时间不调到一致的话，那么在同一个铁轨上跑的多辆火车很可能就会撞在一起，因此，对时绝对不是一件小事。此时，利用电磁波来通信的无线电技术已经逐步趋向成熟，我们前文已经说过电磁波的传播速度是光速，所以利用无线电来实现远距离对时就是一个很靠谱的想法。很多这方面的发明专利开始涌向伯尔尼专利局，因为爱因斯坦是物理专业毕业的，所以这类发明都会交给他来审查。小爱很敬业，也很细致，为了提高自己的业务水平，小爱也跟着要思考电磁波、光速、时间这方面的问题。但是最近小爱有点儿烦，他申请二级专利员的申请书被驳回了，理由是专业能力还不够，这也促成小爱必须多努力思考，提升业务水平。第一个原理：光速不变专利局的工作结束后，小爱总是不急于回家，而是坐在办公室里，用自己用完的草稿纸卷起一根纸烟，点燃，深吸一口，往椅子上一靠，开始了他的思考：光为什么传播得那么快？因为它是一种电磁波，电磁波是怎么传播的呢？根据麦克斯韦那组漂亮的方程组可以看出来，因为振荡的磁场必然产生振荡的电场，而振荡的电场又必然产生振荡的磁场，如此循环下去就成了电磁波。那么，我是不是可以这样认为，电磁波的传播速度正是第一个“振荡”引起第二个“振荡”的反应速度呢？嗯，没错，这就好像一队人站成一排报数一样，听到1的人报2，听到2的人报3……光速其实就是这个报数的传递速度，它和我们常见的小球或者火车的运动速度显然有着很大的不同。火车从这里运动到那里，那就是火车这个实体的位置从这里移动到了那里，但是电磁波，也就是光，它的传播速度其实是“每一个报数的人，他们的反应速度”，真空充当的就是这个报数人的角色，而交替变换的电、磁场就是报出去的这个“数”。正文 第30节：爱因斯坦和狭义相对论(4)1865年，伟大的麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》中证明过，电磁波的传播速度只取决于传播介质。到了1890年，第一个在实验室中发现电磁波的天才赫兹也明确地指出，电磁波的波速与波源的运动速度无关。麦克斯韦的方程组实在是太美了，我深信蕴涵如此深刻数学美的理论一定是正确的。电磁波的速度和波源的运动速度无关，也就是光速和光源的运动速度无关，让我来想象一下这是什么概念，当我朝平静的湖中扔下一颗石子，不管我是垂直从上空扔下去，还是斜着像打水漂一样地扔过去，这颗石子产生的涟漪都应该以相同的速度在水中扩散出去。我们可以做这样的一个思维实验：假设我现在一个人在黑漆漆的宇宙中飞行，虽然我飞得跟光一样快，但是因为没有任何参照物，我感觉不到自己的速度，就我自己的感觉而言和静止是一样的，这时候如果我身边有一束光，或者一个电磁波，我将看到什么呢？一束和我保持相对静止的光吗？一个静止的电磁波吗？也就是看到一个虽然在振荡的电磁场，但是它却不会交替感应下去吗？哦，不，这显然违背了麦克斯韦的方程组，波的速度和波源的运动速度无关，虽然我在以光速飞行，不论是我自己用发生装置发生一个电磁波还是我飞过一个电磁波发生装置，我看到的电磁波都应该是相同的，因为介质没有变。我将看到一个振荡中的电场能够产生振荡的磁场，而一个振荡中的磁场又能够产生振荡的电场，这个交替反应绝不会停下来。如果再想象一下报数的情况，如果我和这队报数的人都在一节火车车厢中，火车高速行驶，但是我并不能感觉到火车是静止的还是运动着的，我会看到报数人的反应速度提高了吗？这也显然很荒谬，火车跑得再快也应该跟报数人的反应速度无关，我应该仍然看到他们以同样的反应速度传递着1，2，3……才对啊。这么说来，光速相对于任何参照系来说，应该都是恒定不变的。哦，我这个想法实在有点疯狂，但是MM实验怎么解释呢？MM实验得出的最直接的结论不就是光速不变吗？为什么我们首先要把这个简单的结论复杂化，想出各种各样的理论和假设来否定光速不变呢？为什么我不先承认这个实验结果是正确的，然后再去考虑怎么解释这个结果呢？要解释MM实验为什么测量不到以太的存在，无非就是下面两种思路：第一种思路：假设一：以太是存在的。假设二：因为某种原因，无法检测出以太。结果：我们没有在MM实验中检测到以太。第二种思路：假设一：以太是不存在的。结果：我们没有在MM实验中检测到以太。根据奥卡姆剃刀原理，第二种思路更有可能接近真相，它需要的假设更少。想到这里，爱因斯坦手上纸烟的烟灰掉落在地上，瞬间碎成一片，爱因斯坦从沉思中回过神来，对刚才的思考感到满意，他想这个问题已经不止一天两天，他拿起笔在草稿纸上写下一句话：“对于任何参考系来说，在真空中光的传播速度都是C。”写完他马上匆匆收拾东西回家，再不回去，老婆又该冲他发火了。正文 第31节：爱因斯坦和狭义相对论(5)第二个原理：物理规律不变最近小爱被这些想法搞得有点兴奋，上班也不大有心思，脑子里面都是关于光速的想法。小爱的思考如汹涌的潮水般朝笔者的思维中涌过来，让笔者应接不暇，在所有这些思考中，关于伽利略相对性原理的思考尤为精彩，而且从另外一个思考角度出发，同样得到了光速必须不变的结论，让我们一起来听听小爱的思考：伽利略相对性原理说的是在任何惯性系中，力学规律保持不变，这一原理简洁而深刻，看起来是如此的优美。但是我想问的是，为什么上帝只偏爱“力学规律”呢？电磁学规律就会变吗？热力学规律就会变吗？这说不通，上帝一定是一个喜欢简单的老头子，他不想把问题复杂化。我的想法是，在任何惯性系中，所有的物理规律都不变。对，就应该是不变的，如果在不同的惯性系中，普遍的物理规律是不同的，那么我们会看到什么？天文学家早就测算出来我们居住的地球是以每秒钟30公里的高速绕着太阳公转，对我们地球上的每一个人而言，我们都坐在地球这个大火车中，那么物理规律就应该在不同的空间取向上不同才对，因为地球的运动方向每时每刻都在发生着变化。换句话说，空间会有各向异性，我们做任何物理实验都不能忽略这个空间各项异性了。但是，实际情况是怎样呢，我们从来没有想过做一个赫兹的电磁实验要考虑实验室的朝向吧？如果有人告诉我们实验室的朝向将决定电磁实验的结果，你自己也一定会觉得荒谬。我们对我们这个地球空间哪怕是最小心的观察也没有发现任何物理规律的不等效性，也就是没有发现任何空间各项异性的证据。MM实验就我看来其实质就是对空间是否各向异性的检测，这是迄今为止对空间各向是否异性的检测精度最高的实验了，但即便是MM实验这样高精度的实验，也没有发现任何空间各项异性的证据，反而恰恰说明了伽利略的相对性原理应该被修正为：在任何惯性系中，所有的物理规律保持不变。伽利略曾经写过一个生动的故事，说如果我们被关在一艘大船的船舱中，你带上一些小飞虫，在舱内放上一只大水碗，里面养上几条鱼，再挂起一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个水罐中。然后你开始观察飞虫的飞行，观察鱼的游动，观察水滴入灌，但是不论你多细心地观察，你也不可能通过观察这些情况来判断船是静止的还是处于匀速直线运动中（这个故事是在我们中学的物理书中被称为萨尔维柯蒂之船）。同样，你所有试图用力学实验的方法来判断船的状态也都是徒劳的，不管你做什么样的力学实验，都不可能判断出船的状态。我的想法是，不仅是做力学实验不行，你在上面做任何物理实验，不论是光学、电学还是热学实验，你都无法判断出船到底是静止的还是正在做匀速直线运动，上帝不偏爱任何物理规律，在惯性系里面，众生平等。正文 第32节：爱因斯坦和狭义相对论(6)这就是我爱因斯坦的相对性原理，它比伽利略的相对性原理更简洁、更深刻、更优美，我很难想象它会是错的。根据这个原理，真空中的光速必定是恒定不变的，如若不然，那么我就可以通过做光速测量实验来判断萨尔维柯蒂之船到底是静止的还是运动的。小爱想到此节，立即拿出昨天那张稿纸，在昨天写的那句话下面又加上了一句话：“在任何惯性系中，所有的物理规律保持不变。”写完他马上匆匆收拾东西回家了，再不回去，老婆又该冲他发火了。（读者：“你对老婆发火一事真有情结，你也很怕吗？”作者：“超级怕，理解小爱。”）这天晚上躺在床上，爱因斯坦失眠了，对妻子的暗示也置若罔闻，他满脑子都是草稿纸上的那两句话。说实在的，小爱觉得物理学中蕴涵的奥秘比身边的妻子更值得迷恋，他心底里有点后悔大学时过于冲动，干了不该干的事情，但是总该对米列娃负责吧，想起自己的婚姻，小爱总是觉得有点无奈。这些东西还是别多想了，草稿纸上的两句话在爱因斯坦的脑袋中一遍遍地显现出来：一、在任何惯性系中，所有物理规律保持不变。二、对于任何参考系来说，在真空中的光的传播速度都是一个常数C。这两句话就像一个魔咒，在小爱的脑中挥之不去。如果说，我的思考是正确的话，这两个假设成立，那么到底意味着什么呢？如果一个人在一列以速度V行驶的火车上，用手电筒打出一束光，那么从站台上的人看来，这束光的速度难道不应该是C+V吗？但如果真的是C+V的话，明显又和我上面写的两句话相抵触，看来我要么放弃简洁优美的相对性原理，要么放弃我头脑中对于速度理解的旧习。如果一只小鸟也在车厢里面以W的速度飞，从站台上的人看来，小鸟的速度显然应该是V+W，对这个观念，现在没有人会否认，但是，凭什么我们对小鸟的结论也硬要安在光的头上呢？我们对光速的认识太浅薄了，相对于光速，不论是小鸟还是火车，都低得可以忽略不计，我们生活在一个速度低得可怜的世界里面，在这个世界里总结出来的规律难道真的也可以适用于高速世界吗？在火车上的人和站台上的人看到的光速都仍然是C，这个结论为什么会让我们感到奇怪，还是我们一相情愿地把我们在低速世界的感受直接往高速世界无限延伸，但其实并没有什么逻辑必然性，我们应该果断地抛弃我们的旧观念，接受新观念？小爱不再纠结了，他决定断然的接受光速恒定不变这个新观念，以此为基石，继续往下推演，看看到底会得到些什么结论。不论这些结论是多么的光怪陆离，我们至少应该有这个勇气往下想，再奇怪的结论也可以交给那些实验物理学家们用实验去检验真伪。小爱想起了自己非常崇拜的古希腊数学家欧几里德（希腊文：Ευκλειδη，约公元前330年至前275年）先生，他写的《几何原本》一直是小爱少年时代最钟爱的书，欧几里德从5条公理、5条公设出发，推导出了23个定理，解决了467个命题，这种从基本的几个公理出发，逻辑严密而又无懈可击的推导过程，让少年时期的小爱深深地感受着数学之美。他还记得当自己第一次亲手证明出三角形内角和是180度时候的兴奋，还记得自己苦苦推导两个月，终于亲手证明了毕达哥拉斯定理（勾股定理）时的激动，这些小时候的事情历历在目。那么现在是否可以从几何学的公理思想出发，把光速不变作为一个基本公理，在此基础之上往下推导呢？小爱想着想着，眼皮开始发沉，意识逐渐模糊起来。小爱睡着了，他做了一个梦，这个梦非常精彩，虽然小爱第二天起床以后把这个梦的情节忘记掉了，证据是在他以后的著作中再也没提到过梦中的情节，但是显然这个梦中的结论他没有忘记，证据是在他以后的著作中以另外一个不同的故事描述了同样的结论。但从笔者的角度来看，小爱这个梦远比他后来自己写下来的故事要精彩得多，下面让我把小爱的这个梦记述下来：正文 第33节：爱因斯坦和狭义相对论(7)环球快车谋杀案