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网络上最有意思的不是文章，而是文章评论。科普文章的评论区更是百花齐放。挑剔的会表示作者没说明白、有情调的表示这一点都不浪漫、爱学习的会默默收藏、怀疑者会追问实验证据……有一类人最有意思，他们会扔下一句：没证据不等于没有，就闪身不见。在科学史上，还真有一个没有证据，但被科学家们认为确实没有的东西。这是什么呢？ 最早，以太是古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质。在亚里士多德看来，物质元素除了水、火、气、土之外，还有一种居于天空上层的“以太”。古希腊人以其泛指青天或上层大气。 随着科学的发展，“以太”的内涵也在演变，到了19世纪末，“以太”的概念从原来的某种神秘物质，变成了物理学家们赖以思考的一种“假想”物质。 这是因为，随着麦克斯韦电磁理论取得了巨大的成功，光的波动说复活了。为了解释电磁波（光）的特性，“以太”就作为一种光的传播介质被重新提了出来。 当时，有两种针锋相对的意见。菲涅尔认为，地球由极为多孔的物质组成，以太可以在其中运动，并且几乎不受到什么阻碍。由于地球表面空气的折射率接近1，因此空气不能或者是只能非常微弱地拖拽“以太”，可以把以太看作是相对于地球表面静止的。 斯托克斯则认为菲涅尔的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上，这是不可能的。他认为，在地球表面，“以太”与地球有相同的速度，即地球完全拖拽“以太”。只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的。 在这一波争论中，菲涅尔的观点胜出了，因为菲涅尔的静止“以太说”可以完美解释由于地球的公转所造成的恒星表观位置变化的现象（光行差现象）。 如果静止“以太”的说法是正确的，那么由于地球公转速度是每秒30千米，在地球表面应该有“以太风”存在。当时的物理学家们做了大量的“以太漂移”实验，试图测量地球通过以太的相对运动。 但是，由于早期实验精度的限制，只能测量地球公转速度和光速之比的一阶量，无一例外的是，这些一阶实验都证实“以太风”是不存在的。 随着麦克斯韦电磁理论的发展，科学家们发现，光和电磁波现象有一个优越的参照系，这就是以太在其中静止的参照系，以太漂移的二阶效应理应存在。但这个实验精度要求太高，一时还难以实现。 1881年，迈克尔逊在麦克斯韦的建议下进行了实验，他本来希望看到的位移干涉条纹是0.1，但在实验中得到的仅仅是0.004~0.005，熟悉物理实验的朋友都应该清楚，这个值就是普通物理实验中所允许的误差值。 在实验事实面前，迈克尔逊不得不承认，这个“零结果”的实验表明，以太是不存在的。他还同时意识到，这个结论与当时普遍接受的光行差现象的解释直接矛盾。 不论是迈克尔逊还是其他物理学家都注意到，这次实验的精度是不够的，所以包括迈克尔逊本人在内，没有人把这个实验看做是决定性的。迈克尔逊也把注意力放到了光速的精密测量上。 1887年，迈克尔逊在瑞利和洛伦兹的建议下决定重新做这个实验，这次他有了一个助手，莫雷。他们改进了之前的实验装置。为了维持稳定，减小振动的影响，迈克尔逊和莫雷把干涉仪安装在非常沉重的石板上，并把石板悬浮在水银液面上，可以平稳地绕中心轴转动。 为了尽可能地增大光路，尽管干涉仪的臂长已经有11米，他们还是在石板上安装了多个反射镜，使光束来回往返8次。根据理论计算，这时干涉条纹的移动量应为0.37，但实际测量值还不到0.01。 迈克尔逊和莫雷在实验报告中说：‘似乎有理由相信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳到菲涅尔的光行差解释。’ MM实验的否定结果让当时所有的物理学家都很迷惑不解，而且在相当长的一段时间内依旧如此。科学家们并没有认为MM实验是判决性的，包括迈克尔逊自己也对实验结果大失所望，并不认为这个实验有什么意义。 洛伦兹同样对这个实验表示了郁闷，同样也是认为实验与菲涅尔对光行差解释之间的矛盾不能理解，甚至怀疑，MM实验的过程中是不是有什么被看漏的地方。 尽管MM实验视乎排除了静止以太说，但静止以太说不仅仅是麦克斯韦方程组的要求，而且也有光行差现象和斐索实验的支持。 为了解释MM实验的现象，1892年，洛伦兹提出了“收缩假设”，即，干涉仪的臂长在运动方向上缩短了亿分之一倍的线度，这样就补偿了地球通过静止以太时所引起的干涉条纹的位移，从而得到了否定的结果。洛伦兹基于电子论进一步认为，这种收缩是真实的动力学效应，对于物质来说具有普遍意义。 但庞加莱否定了洛伦兹的观点，在庞加莱看来，如果是为了解释MM实验而引入长度收缩效应假设的话，那么今后如果再次出现新的实验事实时，仍然需要设定新的假设。毫无疑问的是，为每一个新的实验结果都创立一个特殊的假说，这种做法很不自然。 1898年，庞加莱在其论文《时间的测量》中指出：光具有不变的速度，特别是光速在所有的方向上都相同，这是一个公理，没有这个公理，就无法测量光速。他还指出：“绝对空间是不存在的，我们所理解的不过是相对运动而已”，“绝对时间是没有的，所谓两个经历的时间相等，只是一种本身毫无意义的断语”，“不但我们没有两个相等的时间的直觉，并且我们对于两地所发生的两件事的同时性也没有直觉”。 1902年，瑞利按照洛伦兹收缩做了了一个实验，如果物体在运动方向缩短，那么它的密度就会因为方向不同而不同，这样一来，透明物体就应该显示出双折射现象。实验结果表明，并没有出现预期的现象。1904年，布雷斯重复了瑞利的实验，依然得到了否定的结果。 面对实验事实，洛伦兹以麦克斯韦方程组为基础，用非常复杂的数学方法描述了一个新的变换。然而这个变换中却存在着与经典理论相矛盾的地方，比如粒子质量随速度而变化，粒子在以太中的运动速度不能大于光速。 庞加莱高度认可了洛伦兹的理论，并且从数学上给出了更简洁的形式，这就是后来的洛伦兹变换。庞加莱还给出了电荷和电流密度的变换关系，甚至隐含使用了四维表达式。 1904年9月，庞加莱首次提出了相对性原理，“物理现象的定律对一个固定的观察者与对于一个相对于他做匀速运动的观察者必定是相同的。这样一来，我们没有，也不可能有任何识别我们是否做这一运动的手段”。 虽然前面关于相对论思想的萌芽在爱因斯坦发表《论动体的电动力学》（狭义相对论）之前热闹非凡，但是，这些并不是爱因斯坦狭义相对论的理论背景。因为当时的爱因斯坦，不过是一名远离科学中心的小职员，他没有机会看到洛伦兹的论文。甚至他都不知道有MM实验。 爱因斯坦从赫兹等人的著作中了解了电磁理论，同时又从马赫、休谟、庞加莱等人的著作中掌握了批判思想，彻底摆脱了绝对时空的束缚。一眼看穿了重重的迷雾，领悟到新的、简单的想法，使得他能够吐露出那些问题的真实意义。 爱因斯坦在1952年写给泽利希的信中说：“在狭义相对论的思想概念和相应的结果发表之间大约经过了五、六周的时间……”，其实这些思想已经在爱因斯坦的头脑中酝酿了10年。这期间，爱因斯坦认为麦克斯韦方程组和洛伦兹变换都是正确的。 他尝试将力学运动方程与麦克斯韦方程组统一起来，用这些方程来处理菲索关于菲涅尔拖动系数的实验，但他遇到了困难。他不得不思考相对运动关系与理论形式而不是与理论内容有关的问题。他发现要使麦克斯韦方程组与相对性原理协调起来，不改变传统的时间观念是根本不行的。 爱因斯坦在1905年的论文中，开门见山地提出一个理想实验：当一个导体和磁铁相对运动时，在导体中产生的电流并不取决于二者哪一个在运动。他把这种不对称与企图证实地球相对于以太运动实验的失败联系起来。 直接提出了一种猜想：“相对静止这个概念，不仅在力学中，而且是在电动力学中也不符合现象的特性。倒是应该认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用。”接着他就把这个猜想称之为“相对性原理”，并提升为公理。 紧接着又引入了另外一条公理，即光速不变原理。（以下主要是狭义相对论的内容，这里就不赘述了。） 以太被彻底否定是爱因斯坦统一性思想的胜利，探索自然界的统一性是爱因斯坦一生所追求的目标。狭义相对论所揭示的是时间与空间、物质和运动、能量和质量、动量和能量的统一性。这是人类理性思维的杰作。 |
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