7.1山雨欲來風滿樓：相對論的歷史背景

我們在這里并沒有革命行動，而不過是一條可以回溯幾個世紀的路線的自然繼續(xù)。

——愛因斯坦

從這一章開始，我們將進入一個叫做后牛頓物理學的新領(lǐng)域，這個領(lǐng)域的標志性年代是1900年。在此之前發(fā)展起來的物理學各個領(lǐng)域?qū)儆谂ｎD物理學，也常常被稱為經(jīng)典物理學。從伽利略和牛頓開始，一直到麥克斯韋和赫茲，在長達兩百多年期間，由于許多物理學家的努力，經(jīng)典物理學逐漸成為一個成熟的領(lǐng)域。在當時，人們所遇到的物理現(xiàn)象幾乎沒有哪一樣是不能用經(jīng)典物理學的理論解決的。比如說，地面上物體的運動規(guī)律和天體的運行法則，可以用牛頓力學來描述；涉及到由大量粒子組成的系統(tǒng)的問題，經(jīng)典的熱物理學理論可以解決；對于與電和磁相關(guān)的現(xiàn)象，麥克斯韋的電磁理論完全可以勝任。由于這樣一種狀況，在當時的絕大多數(shù)物理學家當中，慢慢地滋生出一種自滿的情緒，認為經(jīng)典物理學理論的大廈已經(jīng)建成，遺留下來的工作只不過是對這座宏偉的大廈的粉飾。

然而，就在物理學家充滿自信的同時，出現(xiàn)了一系列新的實驗現(xiàn)象，它使物理學家的自信心遭到沉重的打擊。為了看一看19世紀末期物理學領(lǐng)域到底出了什么問題，讓我們對經(jīng)典物理學的基本觀念做一個回顧。

首先讓我們來考慮這樣一個問題：假定你站在地面上，有一輛汽車以每秒10米的速率向前開，一位乘客在汽車上以每秒1米的速率朝車頭扔一個硬幣，在你看來，這個硬幣運動得有多快？這是一個常識性的問題，任何一個具有初等物理學知識的人都知道答案：每秒11米。這個答案是伽利略的速度相加法則告訴我們的。自從大約400年前伽利略陳述了他那著明的相對性原理以來，人們就毫不懷疑這個答案。相對性原理可以直接通過這個法則推演出來。

我們再來看一個例子。你能夠跳多遠？假定你在地面上能夠水平地跳出5米，這是一個相當不錯的成績。現(xiàn)在，假如讓你到一艘以60千米的時速航行的航空母艦上去跳，你能夠跳多遠呢？向前跳或者向后跳對你的成績有影響嗎？如果你真的去試一試，你就會發(fā)現(xiàn)，在航空母艦上，無論你向前跳還是向后跳，或者向左跳還是向右跳，你跳出的成績都是一樣的：5米。為什么會這樣呢？實際上，你的腳用多大的勁蹬踏地面就決定了你能夠跳得有多遠，同樣地，當你在航空母艦上跳遠時，你能夠跳得有多遠完全取決于你用多大的勁蹬踏甲板，與你到底是向前跳還是向后跳，或者向左跳還是向右跳，沒有任何關(guān)系，也與艦艇是否開動沒有關(guān)系。這意味著什么呢？它意味著：你用力的大小與你跳得有多遠之間的關(guān)系，不會因為你所處的環(huán)境而改變。

在以上兩個例子，特別是第二個例子的背后，隱藏著一條非常重要的科學原理，它就是伽利略相對性原理。這條原理說：物體受力的作用而運動所遵循的規(guī)律，在一個做勻速直線運動的觀測者看來，與一個靜止的觀測者所看到的一模一樣。為了清楚地理解“運動的規(guī)律一模一樣”這句話指的是什么意思，讓我們來考察一個例子。設(shè)想有兩個觀測者，第一個觀測者站在地面上，另一個觀測者駕駛著汽車在路面上行進。假定地面上的觀測者看到一個質(zhì)量等于m的物體受到一個力F的推動，并獲得一個加速度a，他發(fā)現(xiàn)，這三個量滿足一個簡單的關(guān)系：F=ma。這就是牛頓運動定律，它反映了受力物體的運動規(guī)律?，F(xiàn)在要問，在汽車上的觀測者看來，這個物體的運動遵循怎樣的規(guī)律？

顯然，在汽車上的觀測者看來，物體的運動速率肯定與地面上的觀測者看到的不一樣，這可以由伽利略速度相加法則得知?？墒牵ｎD運動定律怎樣呢？首先，由伽利略速度相加法則可以推出，如果汽車以均勻的速率沿直線行駛，汽車上的觀測者看到的物體的加速度與地面上的觀測者看到的加速度應(yīng)該一樣；其次，牛頓假定，一個物體的質(zhì)量不隨該物體的運動狀態(tài)而變。我們將看到，這個假定在一般情況下是不對的，不過，在日常生活所接觸到的速率范圍內(nèi)，這個假定近似地成立，因而是可以接受的；此外，利用一種叫做矢量代數(shù)的數(shù)學工具可以證明，作用到物體上的力并不隨觀測者而變。于是，在汽車上的觀測者也將發(fā)現(xiàn)，物體所受的力與它所獲得的加速度以及它的質(zhì)量，三者之間的關(guān)系遵循牛頓運動定律給出的關(guān)系。上面的分析告訴我們，牛頓運動定律在一輛勻速前進的汽車上仍然成立。這就是伽利略相對性原理。

我們是否可以將力學現(xiàn)象所滿足的伽利略相對性原理推廣到一般的物理現(xiàn)象呢？讓我們再來看一個與扔硬幣相似的例子，不過，我們這一次把扔硬幣改為扔光波。設(shè)想我們有一輛超級汽車，它能夠以每秒15萬千米的速率飛馳，如果有一位乘客朝著車頭的方向發(fā)射一個光信號，那么，在他看來，這個光信號以多大的速率傳播呢？如果這時你剛好站在地面上看著這輛汽車以及里面發(fā)生的事情，那么，你看到的光速有多大？

為了回答這個問題，需要簡單地回顧有關(guān)光的本性的兩種觀點。在牛頓之前，笛卡爾曾經(jīng)提出過關(guān)于光的本性的兩種假說。一種假說認為，光是一種類似于微粒的物質(zhì)；另一種假說認為光是一種在“以太”中傳播的波?！耙蕴笔莵喞锸慷嗟绿岢龅臉?gòu)成宇宙的第五種元素，它被想象成充滿整個空間，是絕對靜止的。雖然笛卡爾本人更傾向于后一種觀點，但是，關(guān)于光的本性的這兩種假說為后來的微粒說和波動說的爭論埋下了伏筆。后來，與牛頓同時代的惠更斯發(fā)展了后一種觀點，主張光是一種波，光波就象水波一樣，是“以太”介質(zhì)被擾動時出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。不過，這種觀點受到了來自牛頓的挑戰(zhàn)，牛頓對光的本性持不同的看法，認為光是一種粒子。由于牛頓在科學上的權(quán)威，整個18世紀，對光的本性的看法基本上以微粒說為主。到了19世紀初，托馬斯·楊(ThomasYoung，1773～1829)進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗，使光的波動學說得以復(fù)興。隨后，到了19世紀末，由于麥克斯韋的電磁理論最終在實驗上被證實，光的波動理論獲得了全面的勝利。

既然光是一種波，那么，它是什么東西里的波呢？按當時的理解，人們采用了笛卡爾的觀點，認為光波是“以太”粒子振動時產(chǎn)生的現(xiàn)象，光波就象機械波一樣，在“以太”這種介質(zhì)中傳播。機械波有一個重要的特性，當波脫離波源后，它的傳播速率與波源的運動狀態(tài)無關(guān)，只取決于它在其中傳播的介質(zhì)的性質(zhì)。既然這樣，那么，所謂的光速，指的自然就是光相對于“以太”的速率。于是，上面提出的那兩個問題，即在一輛超級汽車上發(fā)出的光信號的速率到底有多大，似乎就有了答案：你將看到光信號以每秒30萬千米的速率傳播，因為你站在地面上，你周圍的“以太”相對于你是靜止的（當然只是近似的）。由于汽車以每秒15萬千米的速率向前開，也就是以這個速率向前追趕光信號，因此，汽車上的觀測者將看到光以每秒15萬千米的速率越過他向前傳播。

這個答案使當時困擾著物理學家的一個重要的問題似乎得到了解決。

我們知道，牛頓的力學體系建立在這樣一個基本觀念上：時間的流逝和空間的尺度與觀測者的運動狀態(tài)沒有任何關(guān)系。按照牛頓的觀點，我們用來考察物體位置的空間實際上是相對空間，它必須由一個叫做“絕對空間”的玩意兒來量度。絕對空間與任何外部事物無關(guān)，是一個空著的絕對不動的容器，用來容納大千世界。絕對空間是絕對靜止不動的，所有別的觀測者都相對于它運動；另一方面，我們用來考察事件進程的時間實際上是相對時間，只是一種叫做“絕對時間”的東西的某種表現(xiàn)形式。絕對時間與物質(zhì)的存在及其運動沒有任何關(guān)系。而且，空間與時間相互獨立存在，彼此各不相關(guān)。這樣一種把空間、時間和物質(zhì)運動三者割裂開來的觀念叫做絕對時空觀。絕對時空觀保證了經(jīng)典力學的規(guī)律在不同運動狀態(tài)的觀測者看來具有相同的形式，即保證了伽利略相對性原理成立，伽利略的速度相加法則就是這種時空觀的直接推論。因此，絕對時間和絕對空間是經(jīng)典力學的根基，就象一座大樓的地基，沒有了這兩個概念，經(jīng)典力學的大廈就不可能構(gòu)建起來?？墒牵^對空間在哪里呢？這是自牛頓以來令所有物理學家感到困惑的問題。

現(xiàn)在好了，麥克斯韋的電磁理論告訴我們，光是一種波，這種波相對于“以太”以每秒30萬千米的速率傳播。如果有一個觀測者相對于“以太”做勻速直線運動，那么，他所觀測到的光越過他傳播的速率就可以用伽利略的速度相加法則計算。這就是我們在上面那輛超級汽車中看到的現(xiàn)象。由于“以太”被假定為是充滿宇宙的絕對靜止的介質(zhì)，因此，人們曾經(jīng)相信，相對于“以太”靜止的空間就是經(jīng)典力學中的絕對空間。

自從哥白尼以來，人們就知道，地球并不處于宇宙的中心，而是繞著太陽運動。因此，地球肯定穿過“以太”運動。如果我們能夠確定地球相對于“以太”的運動速率，就相當于找到了經(jīng)典力學的根基。

在這種想法的基礎(chǔ)上，19世紀的物理學家花了大量的精力企圖從實驗上測出地球通過假想的“以太”運動時的運動速率。測量方法的基本原理就是伽利略的速度相加法則，假定光相對于“以太”的傳播速率為c，地球相對于“以太”的運動速率為v，那么，當?shù)厍蛏系挠^測者測量向不同方向傳播的光的速率時，就應(yīng)該得到不同的數(shù)值。但是，這些嘗試都以失敗告終，根本測量不出地球的運動速率。

關(guān)于在地球上測量光速的問題，可以用一個簡單的比喻來說明。如果地球在“以太”中以一定的速率運動，地球上的觀察者就應(yīng)當能夠感受到“以太風”的存在，這就象在大海中航行時會感受到迎面吹來的海風。因此，在地球上測量光的傳播速率也可以形象地說是測量“以太風”相對于地球的速率。但是，由于地球的運動速率（也就是“以太風”的速率）很小，測量起來并不是一件容易的事情。

在測量“以太風”的所有實驗中，邁克爾遜(Albert Abraban Michelson, 1852-1931)和莫雷(Edward Williams Morley, 1838~1923)于1887年所做的實驗是最著名的一個。邁克爾遜是19世紀一位著名的物理學家，在光譜學以及精密光學儀器方面有重大的貢獻。這個實驗是用他發(fā)明的干涉儀做的，在進行實驗時，邁克爾遜和莫雷對不同方向的光束的速率做了精確的比較。根據(jù)伽利略的速度相加法則，在地球上進行測量時，這些光束的速率會稍有差別，他們所使用的儀器的靈敏度足以觀測到這些差別。但是，實驗的結(jié)果顯示，不同方向的光束具有相同的速率。這就是說，沒有測量出地球通過“以太”的運動速率。

圖7-1邁克爾遜

干涉測量法的先驅(qū)。因光譜學和精密光學儀器方面的貢獻，被授予1907年度的諾貝爾物理學獎，成為獲得此項殊榮的第一個美國人。

圖7-2 邁克爾遜－莫雷紀念碑

建于1973年，座落在這個歷史性實驗的所在地附近的凱西大學(Case WesternReserve University)內(nèi)，為的是紀念這個具有重大歷史意義的實驗。在紀念碑的設(shè)計方案中，光透過流動的水波，不斷地向人們述說著這個實驗在科學發(fā)展中的重大作用。

邁克爾遜－莫雷實驗是科學史上著名的判定性實驗之一，它的否定結(jié)果似乎向我們表明，地球相對于“以太”的運動并不存在。人們對這個結(jié)果強烈地感到意外和失望。面對這個否定的結(jié)果，幾位著名的物理學家試圖在經(jīng)典時空觀的框架下做出解釋，但是，這些解釋看來都不那么行之有效。1905年，愛因斯坦(Albert Einstein, 1879~1955)提出了一種新的觀點，從根本上解決了這個問題。這個觀點是簡單的并且是行之有效的，不過，要接受它，需要我們付出代價：放棄已經(jīng)習以為常的時空觀念