物理學的進化之十一

1、物理學的進化之十一場，相對論（）以太與運動伽利略相對性原理用在力學現(xiàn)象中是有效的。在所有作相對運動的慣性系中都可以應用同樣的力學定律。對于非力學的現(xiàn)象，尤其是對于場的概念居于重要地位的那些現(xiàn)象，也都能應用這個原理嗎？與這個問題有關的一切問題，立刻把我們帶到相對論的出發(fā)點。我們記得在真空中，或者換句話說，在以太中光的速度是30105公里每秒，而光就是在以太中傳播的電磁波。電磁場儲藏著能，這種能一旦從它的源輻射出去以后，便獨立存在。雖然我們已充分感覺到以太在力學上的結構有許多困難，但目前我們還將繼續(xù)承認以太是傳播電磁波的介質(zhì)，因而也同樣承認以太是傳播光波的介質(zhì)。設想我們坐在一個被封閉的房間里，這個

2、房間與外界完全隔絕，空氣既不能進去也不能出來。如果我們靜坐著說起話來，從物理學的觀點來說，我們在創(chuàng)造聲波，這種波從靜止的聲源以空氣中的聲速傳播。假如口與耳之間沒有空氣或旁的介質(zhì)，我們便聽不到聲音。實驗表明，如果沒有風，并且對于我們所選擇的坐標系來說空氣是靜止的，那么聲音在空氣中向各個方向的傳播速度都是一樣的?，F(xiàn)在我們想象房間穿過空中作勻速直線運動。一個在外面的人可以透過運動著的房間（假如你高興，說成火車也可以）的玻璃墻看到里面所發(fā)生的一切。室外的人可以根據(jù)室內(nèi)的觀察者的測量結果，推算出聲音對于與他的環(huán)境相聯(lián)系的一個坐標系的速度，而房間就是相對于這一個坐標系作運動的。這里又是前面那個老的、討論了

3、很多次的問題，即假使知道了一樣東西在一個坐標系中的速度，如何決定它在另一個坐標系中的速度。房內(nèi)的觀察者宣稱：在我看來，聲音在各個方向的速度都是一樣的。外面的觀察者宣稱：在運動著的房間內(nèi)傳播的而用我的坐標系來確定的聲音的速度，在各個方向并不相等。在房間運動的方向上的聲速比標準聲速要大些，在相反的方向上則比較小些。這些結論都是從經(jīng)典轉(zhuǎn)換推出來的，而且可以用實驗來確證。房間把它里面的物質(zhì)介質(zhì)，即聲音賴以傳播的空氣帶著運動，因此聲速對于里面和外面的觀察者是不同的。我們還可以根據(jù)把聲看作是在物質(zhì)介質(zhì)中傳播的波的理論從而推出另外的結論來。如果我們想要聽不到演說者的聲音，我們可以這樣做（雖然這不是一種最簡單

4、的方法）：我們相對于演說者周圍的空氣以大于聲速的速度向前奔跑，于是發(fā)出的聲波永遠也不會到達我們的耳鼓了。反之，假使我們忘掉了一句永遠不再重復的重要的話。我們必須以太于聲速的速度，趕上早已過去了的聲波去聽到那句話。這兩個例子并沒有什么不合理的地方，不過所難的是在這兩種情況中我們都必須以約400米每秒的速度奔跑，但是我們可以想象，將來技術的進一步發(fā)展，這樣的速度是可能實現(xiàn)的。從大炮里發(fā)射出來的炮彈的速度實際上比聲速大，因而騎在這樣一個炮彈上的人便永遠聽不到發(fā)射炮彈的聲音。所有這些例子都純粹是力學性質(zhì)的，我們現(xiàn)在可以提出一個非常重要的問題了：關于我們剛才對聲波所說的一切情況是否可以同樣應用于光波的情

5、況呢？伽利略相對性原理和經(jīng)典轉(zhuǎn)換是否在應用于力學現(xiàn)象的同時也可以用于光的現(xiàn)象和電的現(xiàn)象呢？假如對于這些問題簡單地答復一個“是”或“否，而不深究它們的意義，那是很危險的。在相對于外面觀察者作勻速直線運動的房間中的聲波的例子中，插入下面兩段話對于我們的結論是非常重要的：運動著的房間帶著傳播聲波的空氣一起運動。在相對作勻速直線運動的兩個坐標系中所觀察到的速度是用經(jīng)典轉(zhuǎn)換聯(lián)系起來的。光的相應問題必須提得稍微不同一點：室內(nèi)的觀察者不再是說話，而是向各個方向發(fā)出光信號或光波。我們進一步假定發(fā)出信號的光源是永遠靜止在房間里的。光波在以太中運動正如聲波在空氣中運動一樣。房間是否帶著以太一起運動，像帶著空氣一起

6、運動那樣呢；因為我們沒有以太的力學結構，所以很難答復這個問題。假如房間是封閉的，里面的空氣便不得不隨著它運動。假如想象以太也如此，很明顯，這是毫無意義的，因為所有的物質(zhì)都浸在它里面，而且它是穿透到任何地方去的。任何的門都關不住以太。所謂“運動著的房間”，現(xiàn)在的意思只是指光源跟它嚴密地相聯(lián)系的運動著的一個坐標系而已?？墒俏覀儾⒎墙^對不能想象房間的運動把光源和以太帶著一起運動，正如關著的房間把聲源和空氣帶著一起運動一樣。但是我們也可以同樣好地想象出一種相反的情況：房間在以太中通過，正如船在絕對平靜的海中通過一樣，不把介質(zhì)的任何部分帶走而只是通過它而已。在我們的第一種圖景中，房間帶著光源運動，也帶著

7、以太運動。在這種情況中，可以把光波比擬為聲波，因而可以得出完全相似的結論來。在我們的第二種圖景中，房間帶著光源運動，但不帶著以太運動。在這種情況中就不能和聲波比擬了，因而在聲波的例子中所得出的結論便不能應用于光波。這是兩個極端的可能性。我們還可以想象更復雜的可能性，例如以太只是部分地被帶有光源的房間的運動所帶走。但是我們在對這兩種比較簡單的極端情況作出實驗并指出哪一種比較有利以前，沒有理由討論更復雜的假定。我們從第一種想象開始，并暫且假定嚴密地聯(lián)結于光源的運動著的房子把以太一起帶走。假如我們相信那簡單的應用于聲波速度的轉(zhuǎn)換原理，現(xiàn)在我們也可以把前面的結論應用到光波里來。我們沒有理由懷疑簡單的力

8、學的轉(zhuǎn)換定律，這個定律不過是說在某種情況中速度必須相加，在別的情況中速度必須相減。因此我們暫時認定和光源一起運動的房子帶著以太走，同時認定經(jīng)典轉(zhuǎn)換。如果我們點起燈來，光源是嚴密地跟我們的房間相聯(lián)系的，信號的速度為著名的實驗值30105公里每秒。外面的觀察者會注意到房間的運動，因而也就注意到光源的運動，并且注意到以太是被帶著走的，他必然會得出這樣的結論：在我所處的外面的坐標系中，光在不同的方向上的速度是不同的。在房間運動的方向上比標準光速要大，在相反的方向則較小。我們的結論是，假如以太被帶著光源而運動的房間所帶走，而且假定力學定律是有效的，則光速必定與光源的速度有關。假如光源朝著我們運動，則光從

9、運動的光源到達我們眼睛的速度就會較大，假如光源背離我們而運動，光速就會較小。假如我們的速率能比光速更大，那么我們可以逃避開光的信號。我們可以趕上早先已經(jīng)發(fā)送出去的光波，而看到過去所發(fā)生的事件。我們趕上它們的次序正和當初發(fā)送它們的次序相反，而我們在地球上所發(fā)生的一系列事件，看來就會像一個倒映的電影片一樣從故事的結局開始。這些結論都是從“運動的坐標系把以太帶走以及力學轉(zhuǎn)換定律是有效的”這樣一個假設中推導出來的。如果這些結論能成立，光和聲之間的比擬就是完整的了。但是沒有任何形跡足以說明這些結論是真實的，恰恰相反、為了證明這些結論而作的所有觀察反而否定了它們。因為光速的數(shù)值太大，要直接做一個實驗有很多

10、技術上的困難，所以這個判決是從頗為間接的實驗中得來的，不過它是明確而完全無可懷疑的。不論發(fā)射的光源是不是在運動或它是怎樣運動的，在所有的坐標系中光遞都是相同的。這個重要的結論可以從許多實驗中得出來，我們不準備描述這些實驗。但是我們可以作出一些非常簡單的論證，雖然它不能證明光速與光源的運動無關，但它能使人覺得這種情況是可信而又可以理解的。在我們的行星系中，地球與其他的行星都繞著太陽運動。我們不知道是否還存在著與太陽系相似的旁的行星系。不過還存在著許多所謂雙星系，它們是由兩個星球組成并圍繞著同一個點轉(zhuǎn)動，這個點稱為雙星的質(zhì)心。對這種雙星的觀察表明，牛頓的引力定律是有效的?，F(xiàn)在假定光的速率跟發(fā)射體的

11、速度有關，那么從星球發(fā)出的光是快是慢，就要看星球在發(fā)光時的速度怎樣。在這個情況中，整個運動就會非?；靵y，而且在很遠的雙星的情況中，根本不可能確認那主宰我們整個行星系運動的同一個萬有引力定律的有效性了。我們再來考察另一個根據(jù)非常簡單的觀念來做的實驗。設想有一個旋轉(zhuǎn)得很快的輪子。根據(jù)我們的假定，以太被輪子的運動所帶走，并且是參與運動的，通過輪子旁邊的光波的速率會因輪子的靜止或運動而有所不同。靜止的以太中的光速和被輪子的運動所帶動的以太中的光速有所不同，正如聲波的速度在無風的和有風的日子有所不同。但是沒有探測到這樣的差異！不論我們從哪一個角度來探討這個問題，不論我們設計出什么樣的判決實驗，結果總是跟

12、以太被運動所帶走的假定相矛盾。因此，我們借助于一些更詳細的專門論證作出如下的考察結果：“光的速度與光源的運動無關。不能認定運動的物體帶動周圍的以太?！币虼宋覀儽仨毞艞壜暡ㄅc光波的比擬并轉(zhuǎn)而研究第二種可能性：所有的物質(zhì)都是在以太中運動，而以太不參與任何運動。這就意味著我們要假定有一個以太海，所有的坐標系都靜止在以太海中或相對于以太海運動。我們暫且丟開實驗能否證明或駁斥這個理論的問題，最好先把這個新假設的意義以及能由它而推出來的結論更好地熟悉一下。有那么一個坐標系，它對以太海是靜止的。在力學中，許多相對作勻速直線運動的坐標系是沒有一個可以將它區(qū)別開來的，所有這樣的坐標系都同樣地是“好的”或是“壞的

13、”。假如有兩個相對作勻速直線運動的坐標系，在力學中要問哪一個在運動，哪一個是靜止，是毫無意義的，只能觀察到相對的勻速直線運動。因為在伽利略相對性原理中，我們不能談絕對的勻速直線運動。如果說，不僅存在相對的勻速直線運動而且存在著絕對的勻速直線運動，這句話的意義是怎樣的呢？這不過是說，有一個坐標系，在它里面有些自然定律和所有別的坐標系中的不同。因而這意味著每一個觀察者都可以用在他的坐標系中有效的定律，跟只在一個專作標準的坐標系中有效的定律加以比較，來判定他自己的坐標系究竟是在運動還是靜止的。這里的情況跟經(jīng)典力學不同，在經(jīng)典力學中，由于伽利略慣性定理的關系，絕對的勻速直線運動是毫無意義的。如果我們假

14、定運動是通過以太的，那么在場的各種現(xiàn)象中可以得出什么結論呢？這意味著有這么一個跟所有別的坐標系都不同的坐標系，它對于以太海是靜止的。很明顯，在這個坐標系中有些自然定律一定是不同的，否則，“運動通過以太”便沒有意義了。如果伽利略相對性原理是有效的。則運動通過以太決不會有任何意義。這兩種觀念是不可能協(xié)調(diào)的。可是，假如存在一個由以太所確定的特別坐標系，那么“絕對運動”或“絕對靜止”的說法才有明確的意義。我們實在選不中哪一個假設是完善的。我們曾經(jīng)作過坐標系在其運動中把以太帶走的假設，以為這樣可以保全伽利略的相對性原理，但是結果發(fā)現(xiàn)它與實驗不符。剩下的惟一的辦法，就是放棄伽利略相對性原理，并試用一切物體

15、都在平靜的以太海中通過的假設。下一步就是來考察與伽利略相對性原理相矛盾而支持運動通過以太的幾種結論，然后用實驗來檢驗它。這樣的實驗很容易想象，但是很難做。因為這里只考查觀念，因而不必顧慮技術上的困難。我們再回頭研究運動的房間和兩個觀察者（一個在房內(nèi)，一個在房外）。外面的觀察者選定用以太海定名的標準坐標系，這是一個與眾不同的坐標系，在這個坐標系中光速永遠具有同樣的標準數(shù)值。在以太海中所有的光源不管是靜止的還是運動的，它傳播出來的光的速度總是一樣的。房間和房內(nèi)的觀察者都是穿過以太而運動。設想在房間中央突然發(fā)出光，隨即熄滅，此外，設想房間的墻是透明的，因而內(nèi)外兩個觀察者都能夠測量光速。假如我們問這兩

16、個觀察者，他們想到什么樣的結果，他們的答復大概會是這樣的：外面的觀察者：我的坐標系是以太海，在我的坐標系中光速總是一個標準值。我不必理會光源或其他物體是否在運動，因為它們決不會把以太海帶走。我的坐標系跟其他所有的坐標系不同，在這個坐標系中不管光束或光源運動的方向如何，光速必須是一個標準值。里面的觀察者：我的房間是穿過以太海而運動的，房間的一扇墻在離開光，而另一扇墻在向光靠攏。假使房間相對于以太海按光速而運動，那么從房間中央輻射出去的光永遠到達不了離開它運動的那扇墻。假如房間運動的速度較光速為小，那么從房間中央輻射出去的光波到達這一扇墻比到達另一扇墻會早些。它到達朝光波運動的墻，會在到達離開光波

17、運動的墻之前。因此雖則光源是嚴密地關聯(lián)于我的坐標系，但各個方向上的光速卻不會一樣。在相對于以太海運動的方向上，它比較小，因為墻在離開，在相反的方向上，它比較大，因為墻迎著光波運動，所以接觸光波更早些。因此，只有在以太海特定的一個坐標系中各個方向上的光速是相等的。在其他對以太海運動的坐標系中，光速則與我們進行測量的方向有關。剛才所考察的判決實驗使我們能夠檢驗這個通過以太海的運動的理論。事實上，自然界向我們提供了一個運動速度相當高的一個系統(tǒng)每年圍繞太陽運轉(zhuǎn)一次的地球。如果我們的假設是正確的，那么在地球運動方向上的光速跟相反方向上的光速將會不同。這種速度之差是可以計算的，并且可以設計出一個適當?shù)膶嶒?/p>

18、加以驗證。根據(jù)這個理論，這里所發(fā)生的將是一個很小的時間之差，因此必須設計出一個很巧妙的實驗裝置來。有名的邁克耳孫莫雷實驗就是為了這個目的而設計的。其結果是把那一切物質(zhì)都在靜止的以太海中通過的理論判決了死刑。它絲毫未能發(fā)現(xiàn)光速與方向有什么關系。如果認定了以太海的理論，那么不僅光速，而且其他的場的現(xiàn)象都會顯示出它們與運動著的坐標系的方向有關。每個實驗都和邁克耳孫莫雷實驗一樣，得出了否定的結果，從來沒有發(fā)現(xiàn)過與地球運動的方向有任何關系。局勢愈來愈嚴重了。兩個假設都已經(jīng)檢驗過了。第一個是說運動的物體把以太帶走。光速與光源運動無關的事實把這個假設駁倒了。第二個是說，有一個特定的坐標系，運動的物體不把以太

19、帶走，而只在永遠靜止的以太海中通過。假使是這樣，那么伽利略相對性原理便是無效的，而在每一個坐標系中的光速便不會相等。但我們用實驗又把它駁倒了。更為牽強的許多理論也都拿來試過了，例如我們假定真理是處在這兩個極端情況之間，以太只是部分地被運動的物體所帶走，但是它們都失敗了。每一次企圖用以太的運動、通過以太的運動、或同時用這兩種運動來解釋運動坐標系中的電磁現(xiàn)象，都沒有得到成功。于是出現(xiàn)了一次在科學史中最激動人心的局勢：所有有關以大的假設都一無是處！實驗的判決總是否定的?；仡櫼幌挛锢韺W的發(fā)展，我們看到以太自出生以來便是具體物質(zhì)這個家族中的一個頑童。第一、構成一個以太的簡單的力學模型已被證明是不可能的，

20、因此我們把這個工作放棄了，由于這個原因，在很大程度上引起了機械觀的崩潰。第二、我們得放棄依靠以太海的存在從而可以特別定出一個坐標系，使我們承認不但有相對運動而且還有絕對運動的希望。因為除了以太能把波帶走的能力以外，這就是顯示和支持以太存在的惟一辦法了。我們想使以太成為實在的東西的一切努力都失敗了。它既不顯示它的力學結構，又不顯示絕對運動。除了發(fā)明以太時所賦予它的一種性質(zhì)，即傳播電磁波的能力以外，其他任何性質(zhì)都沒有了。我們力圖發(fā)現(xiàn)以太的性質(zhì)，但一切努力都引起了困難和矛盾。經(jīng)過這么多的失敗之后，現(xiàn)在應該是完全丟開以太的時候了，以后再也不要提起它的名字了。我們說空間有傳播波的物理性質(zhì)，這樣便不必再用我