物理学的进化-第14章
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在我们的行星系中，地球与其他的行星都绕着太阳运动。我们不知道是否还存在着与太阳系相似的旁的行星系。不过还存在着许多所谓双星系，它们是由两个星球组成并围绕着同一个点转动，这个点称为双星的质心。对这种双星的观察表明，牛顿的引力定律是有效的。现在假定光的速率跟发射体的速度有关，那么从星球发出的光是快是慢，就要看星球在发光时的速度怎样。在这个情况中，整个运动就会非常混乱，而且在很远的双星的情况中，根本不可能确认那主宰我们整个行星系运动的同一个万有引力定律的有效性了。
我们再来考察另一个根据非常简单的观念来做的实验。设想有一个旋转得很快的轮子。根据我们的假定，以太被轮子的运动所带走，并且是参与运动的，通过轮子旁边的光波的速率会因轮子的静止或运动而有所不同。静止的以太中的光速和被轮子的运动所带动的以太中的光速有所不同，正如声波的速度在无风的和有风的日子有所不同。但是没有探测到这样的差异！不论我们从哪一个角度来探讨这个问题，不论我们设计出什么样的判决实验，结果总是跟以太被运动所带走的假定相矛盾。因此，我们借助于一些更详细的专门论证作出如下的考察结果：
“光的速度与光源的运动无关。
不能认定运动的物体带动周围的以太。”
因此我们必须放弃声波与光波的比拟并转而研究第二种可能性：所有的物质都是在以太中运动，而以太不参与任何运动。这就意味着我们要假定有一个以太海，所有的坐标系都静止在以太海中或相对于以太海运动。我们暂且丢开实验能否证明或驳斥这个理论的问题，最好先把这个新假设的意义以及能由它而推出来的结论更好地熟悉一下。
有那么一个坐标系，它对以太海是静止的。在力学中，许多相对作匀速直线运动的坐标系是没有一个可以将它区别开来的，所有这样的坐标系都同样地是“好的”或是“坏的”。假如有两个相对作匀速直线运动的坐标系，在力学中要问哪一个在运动，哪一个是静止，是毫无意义的，只能观察到相对的匀速直线运动。因为在伽利略相对性原理中，我们不能谈绝对的匀速直线运动。如果说，不仅存在相对的匀速直线运动而且存在着绝对的匀速直线运动，这句话的意义是怎样的呢？这不过是说，有一个坐标系，在它里面有些自然定律和所有别的坐标系中的不同。因而这意味着每一个观察者都可以用在他的坐标系中有效的定律，跟只在一个专作标准的坐标系中有效的定律加以比较，来判定他自己的坐标系究竟是在运动还是静止的。这里的情况跟经典力学不同，在经典力学中，由于伽利略惯性定理的关系，绝对的匀速直线运动是毫无意义的。
如果我们假定运动是通过以太的，那么在场的各种现象中可以得出什么结论呢？这意味着有这么一个跟所有别的坐标系都不同的坐标系，它对于以太海是静止的。很明显，在这个坐标系中有些自然定律一定是不同的，否则，“运动通过以太”便没有意义了。如果伽利略相对性原理是有效的，则运动通过以太决不会有任何意义。这两种观念是不可能协调的。可是，假如存在一个由以太所确定的特别坐标系，那么“绝对运动”或“绝对静止”的说法才有明确的意义。
我们实在选不中哪一个假设是完善的。我们曾经作过坐标系在其运动中把以太带走的假设，以为这样可以保全伽利略的相对性原理，但是结果发现它与实验不符。剩下的惟一的办法，就是放弃伽利略相对性原理，并试用一切物体都在平静的以太海中通过的假设。
下一步就是来考察与伽利略相对性原理相矛盾而支持运动通过以太的几种结论，然后用实验来检验它。这样的实验很容易想象，但是很难做。因为这里只考查观念，因而不必顾虑技术上的困难。
我们再回头研究运动的房间和两个观察者（一个在房内，一个在房外）。外面的观察者选定用以太海定名的标准坐标系，这是一个与众不同的坐标系，在这个坐标系中光速永远具有同样的标准数值。在以太海中所有的光源不管是静止的还是运动的，它传播出来的光的速度总是一样的。房间和房内的观察者都是穿过以太而运动。设想在房间中央突然发出光，随即熄灭，此外，设想房间的墙是透明的，因而内外两个观察者都能够测量光速。假如我们问这两个观察者，他们想到什么样的结果，他们的答复大概会是这样的：
外面的观察者：我的坐标系是以太海，在我的坐标系中光速总是一个标准值。我不必理会光源或其他物体是否在运动，因为它们决不会把以太海带走。我的坐标系跟其他所有的坐标系不同，在这个坐标系中不管光束或光源运动的方向如何，光速必须是一个标准值。
里面的观察者：我的房间是穿过以太海而运动的，房间的一扇墙在离开光，而另一扇墙在向光靠拢。假使房间相对于以太海按光速而运动，那么从房间中央辐射出去的光永远到达不了离开它运动的那扇墙。假如房间运动的速度较光速为小，那么从房间中央辐射出去的光波到达这一扇墙比到达另一扇墙会早些。它到达朝光波运动的墙，会在到达离开光波运动的墙之前。因此虽则光源是严密地关联于我的坐标系，但各个方向上的光速却不会一样。在相对于以太海运动的方向上，它比较小，因为墙在离开，在相反的方向上，它比较大，因为墙迎着光波运动，所以接触光波更早些。
因此，只有在以太海特定的一个坐标系中各个方向上的光速是相等的。在其他对以太海运动的坐标系中，光速则与我们进行测量的方向有关。
刚才所考察的判决实验使我们能够检验这个通过以太海的运动的理论。事实上，自然界向我们提供了一个运动速度相当高的一个系统——每年围绕太阳运转一次的地球。如果我们的假设是正确的，那么在地球运动方向上的光速跟相反方向上的光速将会不同。这种速度之差是可以计算的，并且可以设计出一个适当的实验加以验证。根据这个理论，这里所发生的将是一个很小的时间之差，因此必须设计出一个很巧妙的实验装置来。有名的迈克耳孙－莫雷实验就是为了这个目的而设计的。其结果是把那一切物质都在静止的以太海中通过的理论判决了死刑。它丝毫未能发现光速与方向有什么关系。如果认定了以太海的理论，那么不仅光速，而且其他的场的现象都会显示出它们与运动着的坐标系的方向有关。每个实验都和迈克耳孙－莫雷实验一样，得出了否定的结果，从来没有发现过与地球运动的方向有任何关系。
局势愈来愈严重了。两个假设都已经检验过了。第一个是说运动的物体把以太带走。光速与光源运动无关的事实把这个假设驳倒了。第二个是说，有一个特定的坐标系，运动的物体不把以太带走，而只在永远静止的以太海中通过。假使是这样，那么伽利略相对性原理便是无效的，而在每一个坐标系中的光速便不会相等。但我们用实验又把它驳倒了。
更为牵强的许多理论也都拿来试过了，例如我们假定真理是处在这两个极端情况之间，以太只是部分地被运动的物体所带走，但是它们都失败了。每一次企图用以太的运动、通过以太的运动、或同时用这两种运动来解释运动坐标系中的电磁现象，都没有得到成功。
于是出现了一次在科学史中最激动人心的局势：所有有关以太的假设都一无是处！实验的判决总是否定的。回顾一下物理学的发展，我们看到以太自出生以来便是具体物质这个家族中的一个顽童。第一、构成一个以太的简单的力学模型已被证明是不可能的，因此我们把这个工作放弃了，由于这个原因，在很大程度上引起了机械观的崩溃。第二、我们得放弃依靠以太海的存在从而可以特别定出一个坐标系，使我们承认不但有相对运动而且还有绝对运动的希望。因为除了以太能把波带走的能力以外，这就是显示和支持以太存在的惟一办法了。我们想使以太成为实在的东西的一切努力都失败了。它既不显示它的力学结构，又不显示绝对运动。除了发明以太时所赋予它的一种性质，即传播电磁波的能力以外，其他任何性质都没有了。我们力图发现以太的性质，但一切努力都引起了困难和矛盾。经过这么多的失败之后，现在应该是完全丢开以太的时候了，以后再也不要提起它的名字了。我们说空间有传播波的物理性质，这样便不必再用我们已决定避免的这个名字。
在我们的字典中勾销一个字自然是无补于事的，这方面我们要解决的困难实在太多了！
我们现在把已经被实验充分地确认了的论据写下来，而不再顾虑“以太”问题。
1．光在空中的速度永远为标准值，它与光源及光的接受者的运动无关。
2。在两个相对作匀速直线运动的坐标系中，所有的自然定律都是完全等同的，因而无法分辨出绝对的匀速直线运动。
有许多实验确认了这两点，没有一个实验跟其中一点相矛盾。第一点表示光速的不变性，第二点把应用于力学现象的伽利略相对性原理推广到一切自然现象中。
在力学中，我们已经知道，假如一个质点对于一个坐标系的速度是若干，那么它在另一个对第一个坐标系作匀速直线运动的坐标系中的速度就不相同。这是根据简单的力学转换原理推出来的，它们是直接从我们的直观（一个人相对于船和岸运动的例子）中得来的，因而显然不会有什么错误。但是这个转换定律跟光的不变性是矛盾的。换句话说，我们得添上第三个原理。
3。位置与速度是根据经典转换从一个惯性系转换到另一个惯性系的。
于是，矛盾就很明显了，我们不能把上述三点结合在一起。
任何对经典转换加以改变的企图看来是过于明显和简单了。我们已经设法改变过第一点和第二点，但与实验结果不一致。关于“以太”的所有运动理论都要求更改第一点和第二点，但这没有带来任何好处。我们再一次认识到我们的困难的严重性。必须有新的线索来谋求解决。这个线索是接受第一和第二点的基本假定，而看来奇怪得很，要放弃第三点。这个新线索是从分析最基本和最简单的概念开始的，我们将要表明这个分析如何迫使我们改变我们的旧观点从而消除了所有的困难。
时间、距离、相对论
我们的新假设是：
1．在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中，光在真空中的速度都是相同的。
2．在所有的相巨作匀速直线运动的坐标系中，自然定律都是相同的。
相对论就是以这两个假设开端的。从现在开始我们不再运用经典转换了，因为我们知道它和这两个假设相矛盾。
在这里，跟科学工作中常常所做的一样，需要把自己根深蒂固的、常常未经评判便加以接受的偏见除掉。因为我们已经知道，如果把上节中的第一点和第二点加以改变，就会导致跟实验发生矛盾，所以我们必须有勇气坚定地承认它们是正确的，而攻击那可能攻得下的弱点，即位置与速度从一个坐标系转换到另一个坐标系中的方法。我们的意图是从第一点和第二点推出结论，研究一下这两个假设跟经典转换相矛盾的地方在哪里，是怎样矛盾的，并找出所得结果的物理意义来。
我们再来利用房内房外有两个观察者的运动着的房间的例子。假设一个光的信号由房间的中央发射出去，我们再问这两个人，他们想观察什么，这时候他们只承认上面的两个原理，完全丢掉以前说过的关于光穿过介质而传播的论据。我们把他们的答复引下来：
里面的观察者：从房间中央发出的光信号会同时到达房间的各面墙上，因为四面墙与光源的距离相等，而光在各方向上的速度又是相等的。
外面的观察者：在我的坐标系中，光的速度与随着房间运动的观察者的坐标系中所看到的完全一样。在我的坐标系中光源运动与否毫无关系，因为光源的运动并不影响光速。我所看到的只是光信号同样以标准速率向各个方向行进。一扇墙要奔离光信号，而另一扇墙要接近光信号。因此信号到达那奔离的墙，比较到达那接近的墙要稍微迟一些。假使房子的速度比起光速来是小得很的，那么，虽然信号到达两扇墙的时间之差也会小得很，但信号决不会完全同时到达与运动方向相垂直的两扇相对的墙。
把这两个观察者的预言加以比较之后，就会发现一种最可惊奇的结果，这种结果显然跟经典物理学上极有根据的概念相矛盾。现在发生了两个事件，两束光到达两扇墙，在房内的观察者看来，它们是同时到达的，而房外的观察者却认为它们不是同时到达的。在经典物理学中，对在任何坐标系中的观察者来说，都用的是同一个钟，时间的流逝是一样的。因此，时间同那些“同时”、“早些”、“迟些”等词一样，都有一种与任何坐标系无关的绝对意义。在一个坐标系中同时的（即时间过程相同的）两件事，在任何其他的坐标系中也必定是同时的。
上述两个假设，也就是相对论，使我们不能不放弃这种观点。我们已经描写过，在一个坐标系中同时的两个事件，在另一个坐标系中却不是同时的。我们的任务就是要了解这个结果，了解“在一个坐标系中同时的两个事件，在另一个坐标系中可能不是同时的”这句话的意义。
“在一个坐标系中两个同时的事件”表示什么意思呢？每个人在直觉上似乎都知道这句话的意思。但是我们的见解必须谨慎些，并力求作出严格的定义，因为我们知道太重视直觉实在太危险。我们首先来回答这个简单的问题。
一个钟究竟是什么呢？
时间流逝的原始的、主观的感觉使我们能够排列出印象的次序来断定这件事发生得早些，那件事发生得迟些。但是要表示两个事件之间的时间间隔为10秒钟，就需要一只钟。由于使用了一个钟，时间的概念就变成为客观的了。任何物理现象，只要它能够照原样重复任意次，都可以当作一个钟。如果我们取这现象的首尾之间的时间作为时间的单位，那么重复这个过程就可以测定任何时间间隔。所有的钟，从最简单的沙漏到最精密的仪器，都是以这个观念为基础的。例如使用沙漏的时间单位便是沙由上面的玻璃瓶流到下面的玻璃瓶的时间间隔，把玻璃瓶倒转过来就可以重复这个物理过程。
在两个离得很远的点上有两个完好无疵的钟，它们上面所指示的时刻完全一样。如果我们没有考虑到对这句话要作出实验验证，它总应该是正确的。但是它实在表示些什么意思呢？我们怎样才能确信两个距离很远的钟所指示的时刻是完全一样的呢？一个可能的办法就是使用电视。必须了解，电视只用来作为一个例子，它在我们的论证中并不重要。我们可以站在一个钟的旁边而看着另一个钟在电视屏上的像，于是我们可以判断它们是否显示着相同的时刻。但是这不会是一个好的证明。电视中的像是由电磁波传递的，因此是以光速传播的。在电视屏�
