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聊聊狭义相对论-第5部分

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硕颐堑牡厍蛞韵喽砸蕴�30公里每秒的速度与那束光相向而行,那么我们应该测得这束光的速度是c+30是吧?” 
 “不过,真正要我们直接去测出这个c+30的速度就太难了。想当年,1882年,老子测光速的时候,那是相当的难呀!简直BT,这个30甚至可以忽略不计呀老兄!” 
 “不过,我们还是有绝招的。上帝你有政策,我自然就有对策……”


莫雷一直没有出声,他清了清嗓子,沉着冷静地分析了一下我们的对策。其言和而色夷,好一个大将风采! 
 莫雷(1838…1923)是麦克尔孙的同事,也是美国人,是搞化学的,不过却在物理学上面留下了盛名(后来也被叫成了物理学家)。这跟物理学家卢瑟福有些相似。作为一个物理精英,卢瑟福却因研究元素衰变和放射化学方面的重要贡献,获得了1908年的诺贝尔化学奖。嘿嘿,这或许印证了中国的一句古话吧——“无心插柳柳成荫”。不过,这世界哪有那么多天上掉下的成功呢?科学上任一个成就的背后都是充满坎坷的呀!科学家获得他本行之外的正果,也算是老天的恩赐吧!天不负有心人,不是没有道理的啊! 
 OK!回到正题。 
 莫雷挥挥手,说道:“要击破一个难关,当我们明知一种途径是没有结果的,那么我们就应该‘曲线救国’!” 
 “比如说,我们现在要进去一间房子里面拿到一件宝物。可是,我们试了又试。结果发现那扇大门肯定是打不开的了。因为为了防止宝物被盗,他们的工作可是做足了,铁门一道,坚不可摧;不管是什么万能钥匙,都开不了那特制的金锁!那么,我们就不能再在这门上面花时间了,不是吗?” 
 “我们得寻找其他的可以进入房间的方法。它门厉害,那我们就爬窗呀!说不定窗是劣质产品。窗也弄不好的话,咱们就看看它的墙是不是可以很轻易就凿穿。墙也不行的话,挖地道也未尝不可呀!就算上面的都行不通,我们还可以从房间的管理人员中间入手——收买人心……” 
 “所以说,一条路不行,还有另一条道。这是处理问题的最佳信仰!好,现在我们既然知道直接测c+30是不行的了,那我们就应该想其他方法。直接测,办不到……30是测不出来的……我们为什么一定要测出30来呢?不测不行吗?是的,切入点就在这里!我们不去直接测量一束光的那个30,我们用比较法!既然它是c+30,那么我再找一个是c的,两个一对比,肯定有所不同!” 
 “比方说,从同一个出发点出发的两道光,假如能够使得一束是c,另一束为c+30,那么它们走过相同的路程所用的时间一定是不同的。倘若可以再让它们回到出发点的话,我们就可以很轻易地进行比较了!……对!这样一定可以!别忘了!光是波,波如果存在相位差的话,就可能发生干涉,有干涉就会有明暗条纹。(这个,诸位理解起来应该没有问题吧?中学的光学内容,已经还给了老师的话,赶快回去复习一下^_^)那么……我们只需要看看有没有条纹,不就可以得到结论了吗?” 
 不错,麦克尔孙和莫雷的实验的原理正是这样。按照他们的设想(当然是站在牛顿的立场上),我们将会清晰地看到干涉条纹。是不是真的能够如愿呢?我们赶快跟去看看。 
 麦克尔孙和莫雷的操作是这样的。在一块比较坚固的底座上,先放上一个光源S、一块一面镀了银的玻璃板G和两块普通镜子M1、M2。如图所示(课本的标准用语,有没有经典的味道?),地球沿M2的方向以v(30公里每秒)的速度在“以太风”中“穿行”。 玻璃板G镀了银的那一面有这么一种功能,它能够将射到它表面上的光分成两束,一束被反射,另一束则可以顺利通过(熟悉量子力学的朋友一定会发现,这有点像惠勒的延迟实验里面的那块镜子!),怎样?神奇吧? 
 “这是千真万确的!”麦克尔孙和莫雷异口同声道。 
 而普通镜子的作用主要是反射到达它们表面的光线,使得那些光反方向射回去。补充两句,玻璃块G成45度倾斜放置,为的是可以将光源射过来的光一部分垂直反射到镜子M2上,另一部分折射到M1上;而两面镜子到G的距离均为L。 
 此次实验的原理就如莫雷上面的分析,但是实际操作起来,有一点点的不同。M2那束开始以c+v从G射出去的光,由于经过镜子反射回来,速度会变为c…v(因为之后它与地球相向而行嘛!)。而M1那束光由于是与地球的运动方向垂直的,没有受到影响,在我们看来依旧是c!不过,这两路的时间依旧是有差别的。 
 “明白了吗?再给你们一个喘息的机会,好好再理解一下上面那‘乏味’的描述……明白了是吧?那我们就去迎接那振奋人心的一刻了喔!”麦克尔孙微笑道(何等的自信!)。 
 莫雷打开光源。 
 一束耀眼的“精灵”从灯丝上争先恐后地冲出来,它们是如此的兴奋,仿佛要去执行什么很重要的任务。 
 光亮光亮的光线射到镀银的玻璃上后,默契地分成了两队。一队冲着M1狂奔……另一队也不甘示弱,加足马力,蜂拥进军…… 
 撞到镜子上后,光线叽叽喳喳也没有休息,掉头就跑…… 
 是谁快一点呢? 
 M1那道?还是M2那队?或者一样快? 
 谁也看不清楚!或许是光太快了;或许是我们的心情太激动了…… 
 看!麦克尔孙和莫雷的脸上似乎有丝丝笑意。 
 哦,我感觉到是M1的快一点!哈哈!人们即将就会看到牛家武功盖世。问苍天,谁主沉浮?还看今朝! 
 光线已经又一次聚集回到玻璃G上,重新整合成一支大军。浩浩荡荡,大有要把历史都踩在脚下之势。 
 呵呵!问苍天,谁主沉浮?惟我至尊!谁与争锋? 
 光并没有放慢脚步,直冲正在T处观察的莫雷。 
 干涉条纹!有?没有? 
 即将揭晓!是牛顿的胜利?是牛顿的下野? 
 天知道!该来的迟早要来!来吧!来吧!猛烈地来吧!


滚滚长江东逝水,浪花淘尽英雄。是非成败转头空:青山依旧在,几度夕阳红。 
 白发渔樵江渚上,惯看秋月春风。一壶浊酒喜相逢:古今多少事,都付笑谈中。 
 光线吟唱着,马不停蹄,飞奔向前。 
 此时,不知怎的,外面风云突变,乌云密布,山雨欲来风满楼。 
 也好,暗一些,容易观察。感谢上帝。 
 光一头扎进了莫雷的观察镜头中,二话不说,一片寂静。 
 或许,此时无声胜有声。 
 镜头上,没有干涉条纹! 
 “没有条纹!是不是装置哪里出了问题,老兄!”莫雷喊道。 
 “我来看一下,我说兄弟,你太兴奋了吧!竟然激动到看不见了……”麦克尔孙凑了过来。 
 “没理由呀!怎么会没有呢?赶快检查一下装置……”麦克尔孙脸上的笑容顿时消失。 
 “你们来看看!有没有?有没有?你说……” 
 板上钉钉,没有! 
 …… 
 一番检查后,拆了又装,装了又拆,无论怎么着,依旧没有干涉条纹! 
 一道闪电,雷声轰隆。 
 麦克尔孙和莫雷面如土灰。“不可能……不可能……一定可以看到的!一定是我们忽略了什么!一定是我们搞错了什么!……” 
 “一定是……一定是……噢,一定是地球绕太阳转动时,以太风的方向发生了变化,所以才看不到!一定是这样!”麦克尔孙欣喜若狂。 
 于是,他们决定在一年的不同时间继续重复这个实验,他们相信一定会看到条纹的。这也不是没有道理呀!可能,我们刚刚做实验的时候,刚好地球转动,以太风的方向改变了,不是M2的方向,造成两束光的速度没有了差别,时间一样了,那么自然就看不到条纹了。 
 但是,结果还是令人失望。不管麦克尔孙和莫雷怎么努力,在哪个时间不断观察,怎样换地点,如何变换角度,依旧没有看到条纹! 
 怪事!怪事!咄咄怪事!实际怎么会跟牛顿的预言不同?! 
 此事很快在物理学界传开了,掀起了轩然大波。测定了电子电荷量的诺贝尔奖得主密立根这样说道:“不合道理的、看上去无法解释的实验事实……” 
 难道是实验精度出了问题?30太小了,观察不到?没有,麦克尔孙和莫雷的实验确实可以达到这个精度,毋庸置疑。 
 所有的人都陷入了沉思中,百思不得其解。所以,在新世纪到来之际,开尔文勋爵把这个实验所遇到的无法解释的问题比作一朵乌云,一朵漂浮在物理学上空的挥之不去的小乌云。但是,没想到开尔文一语成谶,将来,乌云还真的带来了倾盆大雨,引发了一场大革命。 
 其实,在麦克尔孙和莫雷之后的50年中不断有人重复这一实验,但依旧没有看到所想要的结果。在1958年,甚至有人用微波代替光源的光来做该实验,其精度是麦克尔孙和莫雷的50多倍,却还是没有测量到以太风的影响。 
 回顾一下,我们为什么要做这个实验呢?先是牛顿有了假设,假设电磁波的速度仅相对以太而言方是c。之后,得到推论,在某些参照系中,可能会测得电磁波的速度不是c。再后来,我们学习了否定后件推理和肯定后件谬论,知道该怎样去证明牛顿是不是对的。所以,麦克尔孙和莫雷设计了这个实验,并进行了实验。 
 那么,很明显,实验结果表明这是个否定后件推理,只要一出现这种情况,即可证明牛顿的假设是有问题的。看来牛顿的天梯建得不太合理。 
那问题出在哪里呢? 
 接下来让我们当一回福尔摩斯,来找出问题的根源。好了,跟麦克尔孙和莫雷说再见吧,他们还苦着脸呢…… 
 首先,我们可以肯定的是,我们不能怀疑我们一直以来的逻辑推理本身,如果我们认为是逻辑推理本身有问题的话,那么所有的科学都不成立了,因为科学就是建立在逻辑推理的基础上的。如果p,那么就可以推出q,这个“推出”过程是应该是没有问题的。况且,要是这个“推出”,也就是逻辑本身有问题的话,那么我们福尔摩斯式的推理也就没有意义了。甚至可以说“因为逻辑本身有问题,所以才得不到干涉条纹”这样的解释都是没有意义的,因为它本身又用到了逻辑推理! 
 是的,首先得排除这种可能。


一路走来,说到现在。在这里,我必须停下来交代几句。对上面所聊到的麦克尔孙…莫雷实验,还有接下来将要说到的实验,为了便于理解,其实都已经做了一些简化。不过,其基本原理依旧保持不变。所以,诸位把它们当作一种消遣的读物来读便罢,而不应认为这些实验就仅仅是如此,更不能就此认为你已经完全掌握了它们。事实上,所有的科普也都几乎只能做到这一点,要是非常深入地去讲解的话,恐怕就要成为一本大学教材了。如果你并不准备为物理学献身,而仅仅是对它有兴趣的话,那么恭喜你,你只要了解了我所说的原理,那也算是这一群体中的精英了。倘若你立志要在物理学上大干一场的话,那么也恭喜你,你将会在大学里跟随你的导师极其深入地去研究这些问题,加深你现在的认识! 
 物理学的数学化在所有学科中(当然除了数学)是顶呱呱的,物理学发展至今,已是深深根植于数学,几乎所有的物理学理论都要用数学来描述,方可清晰、简洁和明了,甚至可以说离开了数学就根本无从下手。这些实验当然也不例外。只有真正借助数学式子去分析才能准确地理解其本质内容。我们前面也讨论过这个自然语言和数学语言的问题,所以,给诸位一个忠告:要想完完全全地理解物理学,必须回到坚实的数学土地上。 
 继续当我们的福尔摩斯…… 
 前面我们已经排除了麦克尔孙…莫雷实验失败的第一种可能——逻辑本身出了问题。我们再来寻找线索,看看能不能得到其他缘由。 
 牛顿假设电磁波只有相对以太的速度才是c,然后我们设计实验去验证。在设计的时候,我们是这样分析的——“以太是绝对静止的,光通过它来传播、速度相对它就是c。而我们脚下的地球以每秒30公里的速度围绕太阳运转,那么照理说,至少,地球至少都应该相对以太有30公里每秒的运动速度。”还记得吗? 
 这有什么问题吗?对,以你福尔摩斯的直觉,似乎真有那么一点问题。想想,我们来咬文嚼字,仔细分析一下。 
 我们前面说地球相对以太有30公里每秒的速度,有证据吗?……没有!没有是吧?没有就意味着这种说法不一定是真实的哟! 
 那就只能算是一种假设了呀!也就是说,在这个前提下,牛顿的假设被我们加工了一下,成了“电磁波只有相对以太的速度才是c,并且地球相对以太有30公里每秒的速度”!要是“地球相对以太有30公里每秒的速度”这个说法是假的话,那么很明显加工后的假设也是假的了!我们也自然便得不到干涉条纹了。不是吗? 
 或许这正是实验失败的原因!因为出发点是错的!看来,我们还不能判牛顿的“死刑”,相反,可能是我们的自作主张——将人家的假设加工——出了问题! 
 既然“地球相对以太有30公里每秒的速度”是假的,那我们就换一下吧。我们的实验结果没有看到干涉条纹,不仅如此,不管我们怎样变换时间、地点和角度,都是一样!那是不是意味着地球相对以太是静止的呢?甭管那么多,先试试再说! 
 好,再加工一下假设,变成“电磁波只有相对以太的速度才是c,并且地球相对以太是静止的”。这样的话,我们就可以解释麦克尔孙…莫雷实验失败的原因了,那是由于在地球上,根本没有以太风,自然也就没有干涉效应了。这样一来,麦克尔孙…莫雷实验就成了牛顿的一次给出肯定性回答的验证了。 
 不过,先别高兴着,这只不过是个肯定后件的操作,还不能说牛顿是对的。况且,况且我们刚刚接到了一个“线人”的暗示,案情可能就此会发生变化! 
 走,让我们奔赴现场。 
 还好,我们刚好赶得及。刚刚开始,我们赶快聚精会神来看一下。 
 一位天文学家放下手里的望远镜,将要给我们说个有用的线索。 
 “下雨的天气大家是再熟悉不过的了。我相信大家都有过这样的经验,或者说一定可以明白这样的事实。雨水垂直地落到地面上,你撑着雨伞,如果你是静止站在地面的话,那么你只需直立着雨伞就可以了。可是,要是你在匆匆赶快学校的话,你就必须将伞倾向前面,以挡住雨水,是吧?这也就是说,由于我们运动,本来垂直下落的雨水对于我们来说就有一定的角度了。” 


 “诸位,再想象这样一种情景。由于突然吹起水平方向的风,风的速度是a吧!那么,雨水就不再是垂直的了,而是向风的方向倾了,是吗?接下来,你跟随风的方向,也以a的速度赶往学校。呵呵,你该怎样撑伞?” 
 “也应该是直立的吧?这太容易不过了!如果还想不明白的话,下雨的时候再去试试。” 
 “我们来分析一个问题。为什么一样是在雨中走动,一个要倾斜着伞,而一个却是直立着呢?也许你早已注意到是风在搞怪,一种情况下,撑伞的人相对风是动的,而另一种情况下,他相对风却是不动的。而雨水却是随风而动,原因正是如此!” 
 “好,类比思考一下。将恒星的光代替雨水,撑伞的你换成站在30公里每秒运动的地球的你,风或者说空气改成以太。呵呵,你猜到我要做什么了是吧?再接着刚才的思维,光在以太中传播,相对以太是静止的,这跟雨水和风的关系很像是吧?某一颗恒星发出的光刚好垂直于地球公转的轨道平面,就像雨水垂直落到地面上,如果说地球与以太是相对静止的话,地球跟以太都以30公里每秒的速度绕太阳运动,很明显,这就像你跟风一起以a运动一样,光在以太中传播,类比上面有风吹的雨水的结果,你也应该看到光是垂直射到你这里来的(就像雨水还是垂直落到你的雨伞那样)。” 
 “要是地球相对以太是运动的,那么就像要倾斜雨伞的结果,你会看到光是倾斜着射道你这里来的。” 
 “但是,你猜我实际上看到了哪一种结果?结果是……光倾斜着过来!我必须得倾斜我的望远镜,才能看到那颗恒星!不信?你来看看……” 
 果然不虚此行!我们得到了一条重要的线索——按照天文学家的推断,地球相对以太是运动的!看来,我们做麦克尔孙…莫雷实验之前的加工没有问题,我们又得到了一个否定后件的推理,立即可以否定“地球相对以太是静止的”这个附加假设。这可真是“柳暗花明刚一村,山重水复又无路”呀! 
 天文学家所说到的现象其实早在麦克尔孙…莫雷实验之前就有人发现了,比如英国的布拉德雷?詹姆斯(Bradley?James,1693-1762),人们把这种现象叫做“光行差”,而这个实验就是光行差实验。这个实验证明,如果以太是存在的话,也�
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