相对论3:光速啊,光速
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相对论3:光速啊,光速

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相对论已经到了第三讲,爱因斯坦的理论还没有出场,而我们做这么多铺垫都是值得的。真正的精彩不在于相对论的结论,而在于思辨的过程。前两讲,我们说了两件事。 第一,匀速直线运动和静止没有区别。物理定律 —— 至少是力学的定律 —— 应该在所有匀速直线运动或者静止的坐标系下是一样的。 第二,麦克斯韦解方程解出来一个光速,可是物理学家有个疑问:这个光速是相对于谁的呢? 如果光速是相对于光源的速度,那没问题,这两个事实不矛盾。但是我们讲了,实验观测表明,光速跟光源的速度无关。 于是物理学家相信,光既然是一种波动,光速就一定是相对于某种“介质”的速度。

波动和“以太”

咱们先说说什么叫“波动”。你往平静的湖水里扔一块石头,水面上就会产生一层层的波纹,慢慢传播出去,这就是波动。用我记得教科书上的话说,波,就是“时间和空间上的周期性运动”。 请注意,在波往外传递的过程中,是波的形态在传播,但是湖水本身并没有往外传播。湖面上的水有一个局限在当地的来回运动,仅此而已。你看到海浪一层层地来到岸边,那些岸边的浪花只是岸边的水的波动,并不是远方的水跟着海浪一起来了。 在大尺度上,水并没有动,是波在相对于水而动。水是波传递的介质,波传递的仅仅是信息和能量,而不是物质 —— 介质本身,不需要动。 声波也是这样。距离你十米远的人说话,你能听到他的声音,那是声波在空气中传递的结果。声波从那个人的嘴边到达了你的耳朵 —— 但是那个人并没有把他嘴边的空气给吹到你这里。 好,水波是相对于水面的运动,声波是相对于空气的运动 —— 那既然光作为电磁波也是一种波动,它就也应该是相对于某种介质的运动,对吧? 这个假想中的介质,就被称为“以太”。 并不是物理学家观察到过以太的蛛丝马迹,也不是物理学家固执地相信凡是波都必须得有介质 —— 物理学家凭空想象这么一个以太,纯粹是为了回答“光速到底是相对于谁”这个问题。

可是没有以太

那以太到底是一种什么东西呢?物理学家可以推算它的性质。 首先,既然我们能看到来自宇宙各处的星光,以太就必须遍布整个宇宙空间,无处不在。 其次,以太肯定是一种非常稀疏的物质。这是因为我们完全感觉不到它的存在,各种东西都是该怎么运动就怎么运动,以太不构成障碍。 但同时以太又必须得是一种很坚硬的东西。这是因为物理学家早就知道,波的传播速度跟介质的坚硬程度有关:介质越硬,波速就越快,比如声波在水里的速度就比在空气里快。 又很稀疏,又很坚硬,以太这个东西不是太奇怪了吗? 更严重的问题是,如果以太真的存在,那物理学家关于“匀速直线运动和静止没有区别”这个信念,可就错了。我们完全可以说“相对于以太的静止”就是绝对的静止,它跟运动有本质的区别。 咱们还是回到那艘豪华游轮上。你做力学实验的确无法判断船是在运动还是静止,但是现在你可以做一个电磁学实验!你打开手电筒制造一段光线,然后你测量一下它的速度。只要船在相对于以太运动,你就一定能找到一个方向,正好是船运动的方向,在这个方向上,光速比其他方向要慢一些!那只要你能找到一个光速变慢的方向,不就证明船是在运动了吗? 我们的地球就是这艘船。既然地球在公转,它就肯定是在运动。那如果以太存在,我们就一定能找到一个让光速或者稍微变大、或者稍微变小的方向,对吧? 这是一个关于以太到底存不存在的决定性的判据。我们知道地球公转的速度大约是每秒30公里,可是光速是每秒30万公里,公转对光速的影响是非常非常小的,但是这难不倒物理学家。 美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelson)发明了一个特别漂亮的测量光速变化的方法。他把一束光分成两束,在垂直的两个方向前进,走过同样的距离,经过镜子反射之后再回来。如果光速在两个方向上是一样的,两束光就会形成一个完美的干涉条纹。但是只要这两束光的速度有一点点不一样,这个干涉条纹也会被破坏。这个装置足以发现极其微小的速度差异,现代人发现引力波的实验装置也是用了这个原理。 这就是发生在1887年的“迈克尔逊-莫雷实验”。实验结果是地球上的光速在所有方向上都是一样的。 这也就是说根本就没有以太。 这也就是说光根本不需要介质,就能在空间传播。 这也就是说匀速直线运动和静止还真是没有本质区别。 但这也就是说,物理学家还是不知道光速到底是相对于谁的。 1887年,全体物理学家都陷入了困惑。他们还得再等18年才能知道答案。而提供答案的人,现在才只有8岁。

三岁的爱因斯坦
# 二十六岁以前的爱因斯坦 关于爱因斯坦有一些民间传说。很多人有个印象,说爱因斯坦小时候学习不好,好像是个有点笨的孩子,后来他努力学习,才成了伟大的科学家。这样的故事能给普通人希望……但是爱因斯坦真不是普通人。 2017年,诺贝尔奖委员会在官方Twitter账号(@NobelPrize)上贴出了爱因斯坦17岁高中毕业时的成绩单 —— ![](https://ws1.sinaimg.cn/large/005Em4nXly1g1vlj6crm7j30ko0y40yp.jpg) 他的物理、代数、几何、历史成绩都是最高分6分,只有法语最差是3分。这些成绩相当不错。我想补充的是爱因斯坦16岁的时候就已经报考了瑞士苏黎世联邦理工学院而且被录取了,只是大学要求他先把高中念完。 不过按照世俗的标准来看,爱因斯坦的确有点性格“缺陷”。爱因斯坦对师长不够尊重,还总想对抗体制。比如爱因斯坦本来是在慕尼黑上高中,可是他受不了当时德国高中普遍实行的军事化管理,就索性退学,追随经商的父母去了意大利……而且连德国国籍都不要了。

14岁的爱因斯坦
爱因斯坦没念完高中就想上大学,上了大学仍然不满意。苏黎世联邦理工学院已经是个很好的大学了,但爱因斯坦认为它的教学太陈旧。我们上一讲说的麦克斯韦的电动力学,这个时候已经出来40年了,可是苏黎世联邦理工学院的物理系居然没有这门课程。爱因斯坦干脆就逃课,自学麦克斯韦的理论。 爱因斯坦看不起物理系的教授,教授们也看不上爱因斯坦。他们给爱因斯坦的评价是不听话,而且还懒。他们甚至建议爱因斯坦不要学物理了,去学医吧 —— 对物理学家来说这简直是侮辱。 不过爱因斯坦在大学里有一个重大收获,就是他后来的妻子米列娃。米列娃本来是学医的,是转系学物理……两个物理青年就这样相爱了。 但是两个人的成绩都一般。大学毕业考试的时候,在物理系的总共五个毕业生中,爱因斯坦排第四勉强拿到了毕业证,米列娃排第五必须重修一年。 当时是1900年。排前三名的学生都得到了正式的教职,从此就是职业科学家。而爱因斯坦和米列娃却不得不为生计奔忙。两人又有了孩子,爱因斯坦为了养家糊口还去给人当了一阵家庭教师,后来好不容易在专利局找到了一个低级的工作。 这就是爱因斯坦在1905年之前的生活状况。我想有类似这样经历的求学者可以说是不在少数。心中有一个远大的志向,看什么都不顺眼,面对现实毫不妥协,结果把自己生活搞得很艰难……正所谓“诚知此恨人人有”。

1904年,26岁的爱因斯坦
爱因斯坦跟这些人唯一的区别是,到了26岁这一年,他创造了奇迹。我最近读到一篇杨振宁先生写的文章,叫《爱因斯坦的机遇与眼光》。杨振宁说爱因斯坦之所以能创造奇迹,首先是他极其幸运:“他生逢其时,当物理学界面临着重重危机时,他的创造力正处于巅峰。”但是光有机遇还不行,因为当时至少有还两个人 —— 洛伦兹和彭加莱 —— 也摸到了相对论的门,但是这两人都没有成功。杨振宁说“洛伦兹有数学,但没有物理学;彭加莱有哲学,但也没有物理学。”那为什么是爱因斯坦打开这扇门呢?因为爱因斯坦有个“自由的眼光”。爱因斯坦敢质疑当前现状。爱因斯坦不跟体制和解。杨振宁说爱因斯坦这种“ 孤持(apartness)”的个性,是他能取得伟大成就的必要条件。但是你光有机遇和个性也不行。在我看来,爱因斯坦的物理直觉,也许是一种天赋。比如他五岁的时候,就对一个指南针非常感兴趣。小孩对指南针感兴趣很正常,但爱因斯坦的思路不一般 —— 他觉得指南针说明我们所处的这个空间有问题!空间不是各向同性的,居然有一个特殊的方向!爱因斯坦16岁就写了第一篇物理论文,这篇论文的题目就是……《磁场里以太的状态的研究》。他就问了一个问题,说如果我以光速在运动,那我看到的光,会是什么样的呢?难道光会是静止不动的吗?当时爱因斯坦就说,他认为不会是那样 —— 他说根据麦克斯韦的理论,不管我是什么速度,我做实验弄出光波来,光波还是会以光速在运动。 一般情况下师长们都告诉你要适应世界。爱因斯坦不是来适应世界的。他是来改变世界的。
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