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十九世纪末主流的观点认为
光通过一种被称为以态的介质传播
光速是相对于以太的速度
这非常自然的解释了麦克斯韦方程组中出现的速度
类似于声波在空气中传播
若空气恒温恒压
那么声音的速度恒定
它由空气分子相互作用决定
与波源无关
然而以太稀奇古怪
光从太阳发出
在空间中穿行
到达地球
抵达遥远的恒星
甚至跨越星系
以太渗透于整个空间之中
大街上
你穿行于以太之中
地球围绕太阳运动
穿越以太
年复一年
物体穿过以太运动还不受阻力
甚至像恒星这样大的物体也是这样
假如以太对物体运动产生了阻力
地球就会像滚珠轴承掉进密中一样
在公转轨道上不断减速
以至于五十亿年来
每年的长短将不断变化
所以
唯一合理的假定是
地球甚至所有物体都能畅通无阻的通过以太
这也使得以太几乎不可能被发现
但维多利亚时代的实验物理学家具有非凡的创造力
从一八八一年开始
阿尔伯特
迈克尔逊和爱德华
莫莉做了一系列奇妙的高精度实验
并着手探测难以探测的以太
这些实验的构思并不复杂
一九二五年
罗素写过一本相对论的书
他把地球在以太中的运动比作人在风中行走
有时逆风
有时顺风
对地球来说
它和太阳一起围绕银河系中心在以太中运动
同时又围绕太阳公转
类似人在风中行走
地球在一年的某个时候
一定会逆着以太风运动
而在另外某个时候
它会顺着以太风运动
即便假定太阳系相对于以太静止
地球也会因绕太阳运动而产生以太风
这就像在一个风平浪静的日子
你把头伸出车窗外
也会感到清风拂面
迈克尔逊和莫莉给自己定了挑战的目标
及一年内的不同季节对光速进行测量
和所有人一样
他们坚信
由于地球相对于以太运动
不同时段测量的速度一定有变化
虽然变化幅度很小
迈克尔逊和茉莉花了六年时间完善了一种干涉测量技术
这是一种极其灵敏的测量技术
一八八七年
他们发表了研究结果
结果显示
在一年中的任何时候
在任何方向上
都没有观察到光速的差别
结果与预期不符
如果以太学说是正确的
迈克尔逊和莫莉的测量结果就很难解释
例如
若你在河水中以五千米每小时的速度向下游游去
而河水以三千米每小时的速度流动
那么相对于河岸
你游动的速度是八千米每小时
相反
你若掉过头来向上游游去
那么相对于河岸
你游动的速度是两千米每小时
在迈克尔逊和茉莉的实验中
情形与此相似
只不过游泳者是光
河流是仪态
而河岸是静止在地球表面上的迈克尔逊和茉莉的实验装置
这样我们就可以明白
为什么迈克尔逊
茉莉的实验结果会令人惊讶了
就好像
无论你是向河流的上游游动
还是向下游游去
你相对于河岸的速度总是五千米每小时
无论水流多么湍急
迈克尔逊和茉莉没能检测到以太
也许我们应该大胆的抛弃以太的概念
这是对直觉的又一个挑战
原因和我们在第一章抛弃绝对空间的概念一样
即以太没有可以观察的效果
此外
以太是一个相当笨拙的哲学概念
它给宇宙一个基准来定义绝对运动
这与伽利略的相对运动原理冲突
一九零五年
爱因斯坦提出狭义相对论
迈出抛弃以太的勇敢的一步
从历史看
他似乎只是模糊的意识到迈克尔逊和莫莉的实验结果
因此放弃以太仅仅是爱因斯坦的个人观点
但精妙的哲学并不能指导自然的运作
归根结底
拒绝以太的最好理由是他解释不了实验结果
虽然拒绝宇态既和谐美丽
又有实验数据支持
但会引起一个严重的问题
即麦克斯韦方程组非常准确的预测了光速
却不能给出光速测量的方法
让我们基于这组方程
运用智力
看看能得到什么结论
结果
得到无稽之谈的结论
那么返回尝试另一种假设
以此做一些令人满意的科学研究
麦克斯韦方程组预测光总是以两亿九千九百七十九万两千四百五十八米每秒的速度运动
却没有考虑到光源的速度或接收器的速度
这些方程式表明
无论光源和接收器相对于彼此移动的速度有多快
光速的测量值总是相同的
麦克斯韦方程告诉我们
光速是自然界的常数
这是一个令人奇怪的断言
我们需要多花点时间来探讨它的含义
打开手电筒发出的一束光
常识告诉我们
如果跑得足够快
我们可以追上光束
到它前面去
而如果我们以光速奔跑
光束将缓慢前进
触手可及
但根据麦克斯韦方程组
无论我们跑得多快
光速仍然以两亿九千九百七十九万两千四百五十八米每秒的速度从我们身边飞去
因此
若追光人看到的光速与手电筒发出的光速不同
便于迈克尔逊和茉莉的实验结果以及和麦克斯韦方程组的推论相矛盾
光速是自然界的常数
是恒定的数值
与其源头或观察者的运动状态无关
依据常识
我们应该拒绝修改或者重新解释麦克斯韦方程组
把它们看成更好理论的一个近似
这不是一个很好的选择
因为真实的实验测量与麦克斯韦方程中出现的三亿米每秒的数值偏差很小
这个偏差小到不可能在法拉第的实验中被发现
另一种选择是接受麦克斯韦方程组的有效性和我们永远追不上光束的奇异命题
这个想法不仅违背常识
还促使我们抛弃绝对时间的观念
我们将在下一章中给予揭示
无论对十九世纪的科学家
还是今天的我们
打破对绝对时间的依恋都是很难的一件事情
我们有一个有强烈的直觉支撑着绝对空间和绝对时间
这是他们很难被推翻的原因
但我们应该清楚
直觉毕竟是直觉
牛顿的物理学规律完全接受了这些概念
这些规律仍然是今天许多工程师工作的基础
在十九世纪
牛顿的物理学规律不可撼动
法拉第在皇家研究所所揭示电
核磁的工作原理的时候
伊桑 巴德
金德姆
布鲁内尔正主持修建从伦敦到布里斯托尔的大西部铁路
布鲁内尔的杰作克利夫顿吊桥于一八六四年完工
同年
麦克斯韦完成了他对法拉第工作的总结
并揭开了光的奥秘
八年后
布鲁克林大桥通车
一八八九年
埃菲尔铁塔在巴黎高高矗立
蒸汽时代所有伟大的成就都是用牛顿的概念设计和建造的
牛顿力学远不只是抽象的数学
标志着它成功的事物正在全球范围内拔地而起
不断扩大
庆祝人们掌握了自然法则
因此不难想象
当面对麦克斯韦方程组及其对牛顿世界观基础的潜在攻击时
十九世纪末那些深信绝对时间的科学家心中的那种震惊
二十世纪
破晓光速恒定被认为是物理学上空的一朵乌云
他仍在警示人们
麦克斯韦和牛顿不可能都是对的
直到一九零五年
阿尔伯特
爱因斯坦才最终证明
大自然站在麦克斯韦一边
当时他还是一位毫无名气的物理学家