《聊聊狭义相对论》

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聊聊狭义相对论- 第9节


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 没有来历的家伙!就像今天户口的黑户,什么都不知道。多半是像孙猴子那样,从石头迸出来的! 
 先保留意见呐!还是那句老话,这种可能先放下,不到最后一刻,我们都不可以用。 
 看来,在物理学中,当个福尔摩斯还并没有想象中的那么威风!(有些情况还不可以立即下手……) 
 看看还有没有其他更好一点的方法……


逻辑本身有问题的可能被我们第一时间枪毙了。 
 地球与以太相对静止,这种解释也因为不符合实际情况,PK了。 
 洛伦兹的主意倒是巧妙,但是站在他那块土地上,总觉得不够坚实,让人感到恐惧,无法接受。 
 可以说,后面两个解释都是在牛顿的假设的基础上,我们加上一些附加条件。一个附上了“地球相对以太是静止的”; 洛伦兹的又是“相对以太运动的物体,其运动方向上的长度会缩短”。但最终都不是解决问题的好方法。 
 似乎我们进入了死胡同。 
 看来,再在牛顿的基础上干加工的手脚是没什么前途的。既然,此路不通,那我们就寻找他路。 
 现在,来尝试一下,不要牛顿的假设了,咱们另起炉灶,自己动手使用别的假设,看能不能解决问题。 
 参考参考“地球相对以太是静止的”这个想法,虽然地球相对以太并不是静止的,但是它给我们指明了一个方向。只要使得麦克尔孙…莫雷实验中两路光的速度是相同的,我们就有可能解释实验结果。 
那怎样才可以推出“麦克尔孙…莫雷实验中两路光的速度是相同的”呢?如果……如果……如果说“光的速度为c是相对光源S来说的”行不行呢?可以吗? 
 细想一下,很明显,麦克尔孙…莫雷实验中光源S是与地球一起运动的,光速为c如果是相对光源S来说的话,由于我们与光源相对静止,因而两路光线的速度对我们来说都是c!这正好是我们之前想找的!完全合理!要是真的是这样的话,那问题就迎刃而解了! 
 但是我们千万不可以忘了以太,要知道,按照经典理论,离开以太,光将失去传播的载体!所以,我们新的假设是“以太是静止的,光速与光源的运动有关,光速c是相对光源来说的”。其实,这种观点在19世纪被称作“发射说”。 
 实践是检验真理的唯一标准。假说终归是假说,得经受住事实的检验才行。 
 老规矩,做实验,找否定后件或肯定后件! 
 这次还是天文学家帮了忙,他找到一个叫做双星的现象来说明问题。 
 “我们来看个例子——双星。双星就是质量相当的、由于万有引力,相互围绕对方来运转的两个星体,最重要的一点,我们要的是发光的双星。想象一下,离地球很远的双星中有一颗以速度v向着地球而来的时候,根据上面的假设,我们看到它所发出的光的速度应该是c+v;而当它转了一会,变为背对着地球以v离去的时候,它的光速应该成了c…v。” 
“这速度不同,造成了其所发出的光到达地球所用的时间不同,因而在同一时刻观察这一颗星体时,不应该只看到一个点!是吧?” 
 但是,结果大失所望,只是一点! 
 事实上,在1924年,有人利用太阳光作为光源来做麦克尔孙…莫雷实验,如果说光速真的与光源有关的话,那么应该是可以看到干涉条纹的(自己想一下为什么)。但是,结果依旧看不到。当然,这已是相对论诞生之后的事情了。 
 又是否定后件!一枪搞掂!假设不成立! 
 看来,这也行不通!又一次碰鼻子了!在麦克尔孙…莫雷实验上,我们已是一鼻子灰了。难道它就真的那么不可思议? 
 这也不行,那也不行,到底想怎么样嘛! 
 别着急,其实,19世纪的物理学家也不比我们好到哪里去。他们也被麦克尔孙…莫雷实验搞得茶饭不思,不知如何是好。 
 到了这时候,我们,或者说整个物理学都确实很乱了。仰望天空,已是乌云密布,不再是那朵不起眼的小乌云了,黑云压得人们喘不过气来,人们个个心烦意乱。眺望经典大厦,那条天梯在不停的晃动,最可怕的是还带动了整幢大厦,仿佛下一秒钟就要倒塌,化成废墟。 
 看来,一场大灾难在所难免。 
 看来,一场大革命即将来临。 
 处于乱世,人心惶惶。 
 但是,英雄越是在危急的情况下越是与众不同,他们不管旁人如何,总能冷静下来,仔细分析一切,然后找出最好的路子,一鼓作气,成就大事。 
 我们是福尔摩斯,我们一定可以找出打开大门的钥匙。 
 让他们疯狂去吧!我们安静下来,好好地反思一下……


我们现在就像站在深山中,云雾萦绕,四处茫茫。环顾四周,可以看到几条我们曾经走过的路,但都证明其实那是走不通的。或许,你还发现了其他的道路,但是在这里就不一一去试探了。如何尽早离开这是非之地,才是上策呀! 
 为什么?为什么我们所走过的路都是死路?我们前进的指向标可是高高在上的经典物理学呀!它曾经是那么的辉煌!谁也不会忘记当年的海王星的发现是我们的功劳!谁也不会忘记当年电磁波的首次发射依靠的是我们的武器!我们曾经所向披靡,锐不可当!为什么今天却如此狼狈呢?每一招都被敌方所破,反而还弄伤自己! 
 为什么呀…… 
 一声大喊,回音荡荡。 
 如此碰壁,令我们不得不重新开始审视我们曾经奉为圣条、当作指路标的经典物理学的基础。我们来认认真真地、对一切都带着怀疑的眼光地琢磨一番那些死路。 
 第一条路——逻辑问题,首先拿开,这是绝对不可以怀疑的! 
 再回忆一下其他的道路。注意到了没有,全部都与以太有关! 
 以太!以太!难道是以太出了问题? 
 但以太可是经典物理学的根基呀!没有以太,就没有了绝对参考系!没有以太,就没有光的传播介质!没有以太,就没有牛顿大楼和麦克斯韦大楼的联结呀! 
 说哪里有问题都行,但说以太就万万不可呀!以太被挪动了,经典物理学就没了! 
 即便如此,我们也管不了那么多了,还是得钻研一番。因为,我们已经无路可走了。 
 在前面,从《宇宙之谜》里面关于以太的讨论中,有这么一句“以太是不可测度的。”好象这句话有一些问题。 
 我们先来说说科学中一个相当著名的原理——奥卡姆剃刀原理。它是14世纪一个生于奥卡姆的名叫威廉的修道士所提出的。“当我们面对一大堆可以解释某个事实的说法时,我们应该相信假设最少的那一个”。这也充分体现了科学的简洁之美,是科学家的信仰所在。 
 举个例子。我想很多人都没有见到过上帝,至少没有确切的证据表明有谁见过上帝。那,怎样来解释“没有见过上帝”这个事实呢? 
 第一种方案。 
 假设一:上帝是存在的; 
 假设二:上帝是不可以被看见的; 
 结论:没有人见过上帝。 
 第二种方案。 
 假设:上帝是不存在的; 
 结论:没有人见过上帝。 
 你相信哪一种呢?我想还是第二种多一些吧。就算我们还不知道奥卡姆剃刀原理,我们也会选择第二种,是吧? 
 第一个说法明显多了一条假设,但它的解释也不见得比第二种好多少,只不过解释了一样的事实。而第二种简洁明了,达到了一样的效果,我们很难相信它是不真实的。 
 好,反观以太,似乎也犯了这种“错误”。 
 经典物理学也用了两个假设去解释为什么测量不到以太这个事实——以太是存在的,以太是不可测度的(或者地球跟以太是相对静止的、或者存在长度收缩效应……),所以测量不到以太。 
 可以说,死抱着以太不放,而去解释麦克尔孙…莫雷实验,至少违反了奥卡姆剃刀原理!但是,我们从美的角度出发,又很难相信奥卡姆剃刀原理是错误的。况且,有以太的经典物理学也无法解释得清麦克尔孙…莫雷实验! 
 要是我们换另外一种更简洁的说法去解释测量不到以太这个事实,或许会合理些——因为没有以太,所以测量不到以太! 
 是的,打倒以太! 
 是的,扔掉以太! 
 这或许是我们的出路所在!


好,回到我们游客的身份,不当福尔摩斯了。 
 革命的口号是容易叫,革命的豪言谁都能放。但是,你有本钱吗?你要面对的是千千万万个牛顿的粉丝呀!虽然19世纪不再是布鲁诺的时代,不再是伽利略的年头,但你要想起义,虽说可以不被人家干掉,但也会被口水淹死呀! 
 你负得起后果吗?要知道,丢掉以太,对经典物理学来说,那是釜底抽薪呀!没了以太,就等于毁了经典物理学! 
 遥想当年,牛顿在《自然哲学之数学原理》的一开始就给出8个定义,之后在附注中这样写到—— 
 “至此,我已定义了这些鲜为人知的术语,解释了它们的意义,以便在以后的讨论中理解它们。我没有定义时间、空间、处所和运动,因为它们是人所共知的。”(注意后面那句话) 
 “绝对的、真实的和数学的时间,由其特性决定,自身均匀地流逝,与一切外在事物无关。” 
 “绝对空间:其自身特性与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动。相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构,或是对绝对空间的量度,我们通过它与物体的相对位置感知它;……例如,地球在运动,大气的空间相对于地球总是不变,但在一个时刻大气通过绝对空间的一部分,而在另一个时刻又通过绝对空间的另一部分。” 
 可见,在牛顿物理学中,时间和空间都是绝对的。时间不会由于外部世界的变化而受到影响,它是独立流逝的,与它之外的东西都没有关系。而更重要的是,从牛顿的地球和大气的例子中,我们可以清晰地领略到,空间也是绝对的,它是其他一切外部事物运动的度量标准。而这个唯一的绝对空间又是什么呢? 
 正是以太! 
 再来,电磁学中,光波靠什么介质传播呀? 
 还是以太! 
 由此可见,以太在经典物理学中具有多么重要的位置。 
 万万不可去掉呀!这也是当时大多数物理学家的忧虑。 
 从牛顿的讨论中,我们也可以了解到牛顿的绝对时空观,它们不会受到任何外界事物的影响。这也符合我们的认识呀!时间如流水,试问有谁可以让时间慢下去或快起来的?时间是无情的,它不会取悦于个人欢喜,所以,古往今来,留下了那无数感慨时间的佳句名篇。空间自然也是绝对的呀,它独立存在着,我们只能够在其间运动,而永远不能消灭它,或者改变它半点! 
 要是有一天,有人说时间和空间都是可以改变的,那我们就会用惊奇的眼光看着他,怀疑他是不是有点问题。 
 可以说,没有接触过相对论的人们,他们的时空观基本上都与牛顿的一致。而就算学习过相对论的人,也未必可以完全离开绝对时空观。绝对时空观是我们的常识,要改变它,确实不容易办到。也正因如此,当时很多物理学家都不敢跨过这道门槛。 
 但是,革命的时机已经成熟!暴风雨即将来临! 
 乱世出英雄。 
 异端总能在时代上找到他们的位置。 
 早在1883年,奥地利物理学家马赫就写了一本名叫《力学及其发展的历史批判概论》的书,对牛顿的绝对时空观打出了反对的第一声炮响。“我们不要忘
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