第6章 光、以太和洛伦兹转换

相对论的故事得从光速说起，在它诞生之前，物理学界关于光的讨论已经持续了三百年。

在爱因斯坦的理论中，真空中的光速是宇宙中最快的速度，如今我们知道这个速度大约是每秒 30 万公里。不过，或许是因为日常生活中很难感觉到光速的存在，在过去，人们通常假设光速是无限的。

在17世纪，伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）最先尝试测量光速。他让两个观察者各持一盏灯，A 先把灯点亮，B 看到后也点亮自己的灯，然后计算 A 从点灯到看到 B 的灯光的时间差。受限于当时的实验条件，他没有成功——哪怕让两人相距一英里（约 1.6 千米），测量结果也和他们靠在一起的时候差不多。

17世纪末，科学家们再次尝试测量光速，这一次靠的是木卫食，即在地球上观测时，木星将它的卫星遮住的现象。丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Romer，1644-1710）发现，当地球离木星距离不同的时候，木卫食出现的周期不一样，距离较远的时候木卫食出现得更晚一点，大约相差 10 分钟，这说明此时木卫反射的光要花更长的时间才能到达地球。罗默认为这个现象证明光速是有限的。

测量光速示意图。当地球从 L 点转到 K 点的时候，第一个木卫食出现的时间比根据运算周期计算得到的时间要晚几分钟，罗默认为这就是光在经过 LK 的时候多花的时间。反之，当地球从 F 点转到 G 点的时候，木卫食出现的时间就比计算结果要早。图片来源：罗默于 1676 年发表的论文，Wikipedia 

正如一切新理论一样，这个结论并没有被立刻接受。到 1728 年，哥本哈根发生了当地历史上最大的火灾，罗默的许多观测资料毁于一旦。

而大火发生前一个月，在北海的彼岸，英国天文学家詹姆斯·布拉德雷（James Bradley，1693-1762）对光速进行了更加精确的测算。布拉德雷进而估计太阳光到达地球的时间为 8 分 13 秒，与现代的观测结果只有几秒钟的差异。

水波还是颗粒？ 

光速的测定回答了一个问题，却引出了更多的问题：光是如何传播的？在不同的介质里，光速会发生怎样的变化？

同样在 17 世纪，物理学家们对光的本质展开了研究。荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）认为光是一种波，在“以太”中像水波一样传播。像同时代的科学家一样，他认为以太是一种充斥所有空间的流体，地球能够围绕太阳转动正是因为太阳带动了以太的漩涡。

波动说能够解释光的反射和折射，却无法很好地解释为什么光沿直线传播。这时候，艾萨克·牛顿（Issac Newton，1623-1727）提出了一种截然不同的理论。为了解释棱镜实验的结果，牛顿指出，光应当是一种微粒，光通过棱镜的时候就像网球被斜拍打出去的时候一样，划出一道曲线。（今天我们更熟悉的现象是足球赛里的“香蕉球”。）

这两种学说在解释光速变化的时候发生了分歧：波动说认为光在折射率更大的介质中速度较小，而微粒说的推论结果恰好相反。到 19 世纪中叶，科学家才通过实验测定了不同介质中的光速，最终推翻了微粒说。

最著名的“失败”实验 

但是波动说还没有完全取得胜利。在那个年代，波动说的解释依赖以太的存在，可是以太又是什么样子？

19世纪的物理学家并不怀疑以太的存在，只是在解释它的性质方面遇到了重重困难。比如，偏振现象表明光存在相对于传播方向的横向振动，这说明以太是一种弹性固体，因为在空气这样的弹性流体中不会发生这样的现象。但是，如果以太是一种固体，那么行星又怎么能穿过它呢？

为了检验以太的性质，1887 年，在美国的克利夫兰进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验，由阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson，1852-1931）和爱德华·莫雷（Edward Morley，1838-1923）设计。实验的原理很简单：如果地球在以太中运动，那么当光线顺着以太运动时，它的速度应当比逆行的时候要快，就像顺着水流游泳要更轻松一样。

为了保证实验装置处在水平、稳定的位置，迈克尔逊和莫雷将它安放在一块漂浮在水银中的大理石板上。他们让一束光从光源（a）出发，经过一面与光传播方向成 45 度角的半透明分光镜（b），镜片让一部分光直接通过，另一部分光被反射，分别到达两面镜子（c、d）。如果光束到达两面镜子并返回的时间不同，就会出现相位差，最终在中间形成干涉条纹。并且随着仪器转动，光的路径与以太流动方向的相对位置发生变化，那么干涉条纹应当会发生移动。

但是，尽管多次重复实验，迈克尔逊和莫雷并没有发现干涉条纹的明显移动。在当时的实验物理学家们看来，实验结果证明了以太与地球相对静止，这令他们感到十分困惑。

到迈入 20 世纪之时，绝对温标的发明者开尔文说：“两朵乌云……遮蔽了把光和热断定为运动形式的动力学理论的美丽和明晰。”其中一朵乌云指黑体辐射，另一朵就是还未找到理想解释的迈克尔逊-莫雷干涉实验。

拨云见日 

1895年，荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz，1853-1928）结合当时的电磁学研究成果，作出了大胆的假设：如果物体本质上是靠电磁力结合在一起的，那么当物体在有电磁性的以太当中运动时，就可能沿着它运动方向缩短。经过复杂的计算，洛伦兹提出了洛伦兹变换，用于解释不同参考系中运动的换算关系。

洛伦兹已经很接近狭义相对论，只是他还没有放弃以太。其他实验物理学家也没有放弃，他们试图用更灵敏的仪器重复实验，或者到海拔更高的地方重复实验。

为什么那个年代的物理学家们会固执地相信这样一种不可捉摸的物质的存在？今天的我们或许对此感到难以理解，但是在 20 世纪，否认以太可以说意味着否认物质与时间的永恒。以太的存在隐含了一个假设，那就是存在绝对客观、亘古不变的空间参考系。从哲学的角度上看，物质占据固定的空间，时间以固定的步调流逝，这是人类心目中对世界的固有认识。

而爱因斯坦首先意识到，绝对空间与绝对时间的概念是想象中的虚构，它受限于人类的经验。实际上，对统一系统的观测结果取决于观察者的位置，处在同一系统中的观察者和处在另一个系统中的观察者看到的是不一样的。也就是说，时间和空间不是绝对的，而是与观察者相对的。

至于那个看不见、摸不着的以太，只需要承认空间具有传播电磁波的能力，就可以抛弃对以太的依赖。爱因斯坦及合作者后来在书中写道：

“我们想使以太成为实在的东西的一切努力都失败了。它既不显示它的力学结构，又不显示绝对运动。除了发明以太时所赋予它的一种性质，即传播电磁波的能力以外，其他任何性质都没有了。我们力图发现以太的性质，但一切努力都引起了困难和矛盾。经过这么多的失败之后，现在应该是完全丢开以太的时候，以后再也不要提起它的名字了。”

——《物理学的进化》

在洛伦兹变换的基础上，爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论，进而在1915年提出了广义相对论。