在 1801 年，托馬斯?楊進(jìn)行了一項(xiàng)簡單的雙縫實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)表明光的行為類似于波。所以當(dāng)時(shí)關(guān)于光的主流理論是它是一種波。問題在于，人們認(rèn)為波必須通過某種介質(zhì)移動(dòng)。

眾所周知，光可以在真空中傳播，因?yàn)槟憧梢钥吹叫枪?。然而，人們認(rèn)為外層空間是空的，什么也沒有。因此，科學(xué)家們認(rèn)為，光波能夠在真空中傳播的唯一途徑是，存在一種遍及整個(gè)宇宙的介質(zhì)，他們稱這種物質(zhì)為“以太”。

這種以太理論是 19 世紀(jì)的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)理論。1887 年，阿爾伯特?邁克爾遜和愛德華?莫雷兩位物理學(xué)家提出了一個(gè)想法來測試以太的存在。背景以太被認(rèn)為是靜止不動(dòng)的，但由于地球在運(yùn)動(dòng)，人們認(rèn)為它會(huì)影響粒子（或波）的速度。如果波與地球的傳播方向相同，波的速度應(yīng)該在地球速度的方向上更高。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，邁克爾遜和莫雷設(shè)計(jì)了一種稱為干涉儀的裝置。該裝置將一束光分成兩束，然后將其從鏡子上反射回來，使其向不同的方向移動(dòng)，最終擊中同一個(gè)目標(biāo)。這個(gè)想法是，兩束光沿著不同的路徑穿過以太，它們傳播相同的距離，但以不同的速度移動(dòng)。因此，當(dāng)它們擊中最終目標(biāo)屏幕時(shí)，這些光束彼此之間的相位會(huì)略有不同，從而產(chǎn)生干涉圖樣。

但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是驚人的。實(shí)驗(yàn)表明，兩束光的速度并沒有差異。無論光束走哪條路徑，光似乎都以完全相同的速度移動(dòng)。這嚴(yán)重危害了以太理論，沒有人知道為什么，也沒有人想出另一種理論來解釋它。它被稱為“有史以來最失敗的實(shí)驗(yàn)”。

愛因斯坦開始介入

在 1873 年，詹姆斯?克拉克?麥克斯韋提出光是一種電磁波。他甚至計(jì)算過它的速度，大約是每秒 30 萬公里。愛因斯坦了解過這一點(diǎn)，那時(shí)他就提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：他想象自己在以光速行進(jìn)的同時(shí)追逐著一束光，他會(huì)看到什么呢？他在筆記中寫道：“如果我能趕上這束光，我應(yīng)該觀察到這樣的場景，光就像一個(gè)靜止的電磁場，雖然它在空間上是振蕩的?！睋Q句話說，愛因斯坦認(rèn)為他應(yīng)該看到靜止的光波。

然而，那是不可能的。愛因斯坦知道這樣的靜止場會(huì)違反麥克斯韋提出的電磁方程。電磁場中的任何波都必須以光速運(yùn)動(dòng)，不能靜止不動(dòng)。此外，愛因斯坦認(rèn)為，如果有人乘坐一輛接近光速的非加速列車旅行，如果沒有窗戶，這個(gè)人無法知道他的速度有多快。以固定速度行進(jìn)的人與靜止不動(dòng)的人的物理定律應(yīng)該是相同的。

所以他提出了兩個(gè)假設(shè)，并試圖弄清楚如果這兩個(gè)假設(shè)都成立，物理學(xué)會(huì)是什么樣子。假設(shè)之一是物理定律對于所有慣性參考系都是相同的。假設(shè)二是真空中的光速對于所有慣性參考系都是恒定的

第一個(gè)假設(shè)幾乎是常識，并且已經(jīng)假設(shè)了數(shù)百年。然而，第二個(gè)假設(shè)是革命。光在真空中運(yùn)動(dòng)的，我們總是測量到它的速度為每秒 30 萬公里，這意味著愛因斯坦永遠(yuǎn)看不到靜止的振蕩場。這是愛因斯坦認(rèn)為協(xié)調(diào)麥克斯韋方程組與相對性原理的唯一方法。

但是這個(gè)解決方案似乎有一個(gè)致命的缺陷。想象一下，當(dāng)火車以每秒 3 萬公里的速度呼嘯而過時(shí)，站在鐵路旁的人發(fā)射了一束光。鐵路旁的人會(huì)測量到光束的速度為標(biāo)準(zhǔn)的每秒 30 萬公里，但是火車上的人會(huì)看到光以每秒 27 萬公里的速度行進(jìn)。愛因斯坦總結(jié)說，如果光速在所有慣性系看來都是一樣的，那么如何修正火車上的觀察者，使他測量得到的光束也是每秒 30 萬公里。

這種問題讓愛因斯坦思考了將近一年。突然，在 1905 年 5 月的一個(gè)早晨，愛因斯坦看到了解決辦法。他的思想實(shí)驗(yàn)的解決方案是，一個(gè)在火車上旅行的人，必須以不同的方式體驗(yàn)時(shí)間，相對運(yùn)動(dòng)中的觀察者體驗(yàn)時(shí)間不同！這是革命性的時(shí)刻，它徹底顛覆了伽利略和牛頓開創(chuàng)的數(shù)百年的經(jīng)典物理學(xué)，認(rèn)為時(shí)間在宇宙中是固定的和絕對的。

愛因斯坦表明時(shí)間是相對的，并且在不同的參照系中有所不同。沒有以太理論提供的絕對的參考系，因此不再需要以太的概念。這一認(rèn)識也導(dǎo)致了狹義相對論的其他結(jié)論：尺縮效應(yīng)、動(dòng)質(zhì)量、質(zhì)能方程。

本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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