聊聊狭义相对论-第6节

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　让我们还是再来回味一下牛顿处理问题的步骤：假设——寻找相关信息，完善假设——推论——实际验证——结论。　
　我想，这也是很多人处理事情的方法，而且经常在不经意中用到。但在这里，我希望大家可以比较理性、浅显地认识一下它背后的一些机制。　
　我们的下一个目标是，做实验验证牛顿的假设。不过，实验不由我们亲手把关，（哪来那么多经费呢？）我们将跟随两个名叫麦克尔孙和莫雷的帅哥去看看，实验将由他们来做……


诸位，下面我们将要亲自跟着麦克尔孙和莫雷去做一个伟大的实验。正是这个实验改变了物理学的历史，并将使得革命的思潮席卷大地。我们必须得小心翼翼，容不得半点差错，记住了吗？　
　我们来瞧瞧麦克尔孙。他1852年12月9日出生于普鲁士的史翠诺，也就是现今的波兰的史翠诺（Strzelno）。他是一个犹太商人的儿子，两岁时移民到美国去。事实证明，这是美国历史上一个里程碑式的移民。1869年，那一年，麦克尔孙17岁，他进入美国海军学院学习，开始在自然科学方面崭露头角。并于4年后走出大学的校门。在这期间，麦克尔孙深深沉醉于光速的问题中，并专心研究改进干涉仪。1887年，麦克尔孙和莫雷共同进行了流芳百世的麦克尔孙…莫雷实验。　
　1907年，是麦克尔孙人生中重要的一年。　
　1907年，是美国历史中重要的一年。　
　1907年，麦克尔孙因“发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究”（for　his　optical　precision　instruments　and　the　spectroscopic　and　metrological　investigations　carried　out　with　their　aid）成为美国历史上第一位诺贝尔奖得主。　
　怎样？老大级人物吧？麦克尔孙好生厉害！下面我们就去会会他，走……（补充两句，麦克尔孙在1931年5月9日逝世于加利福尼亚的帕萨迪纳。月球上有一座环形山就是以他的名字命名。每当人们仰观月亮之时，不知会不会想起麦克尔孙呢？）　
　“欢迎你们！为了可以更好地做好这个实验，我得跟你们说说实验的原理，好吗？”麦克尔孙开门见山，直截了当。　
　“其实，上面有关我们需要验证什么已经说得相当清楚了。牛老前辈假设电磁波相对以太的速度是c，而在其他的参考系则有可能不是c！所以我们今天的目的就是要找一个不是c的参考系，并把那个速度测出来。不过，我们得作好准备，因为就算测出了这个速度，也并不能证明牛前辈真正是对的！别忘了什么是肯定后件的谬论！”（看来麦克尔孙还是牛顿的一个铁杆粉丝哟！）　
　“当然，我们并不准备选择在公交上进行。公交得给钱，咱们还是选择个免费的地方。况且公交的速度太慢了，根据我在1882年获得结果，光速应该是299，853公里每秒，也就是186，320英里。公交的速度跟这个相比，实在小得可以！换辆法拉利还说得过去，不过，我们还有更快一点的，”麦克尔孙脸上闪过一丝狡黠的笑容，“那就是……地球！”　
　“哦——”　
　“是的！地球！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。是吧？没问题吧？”　
　“哇！30公里呀！跟公交相比快多了吧！最重要的是——它还是免费的！好的。下面，小心听了哟！现在，我们就像乘着一艘以30公里每秒运动的潜水艇，在以太这片海洋中穿行！以太充满于整个没有物质的宇宙空间，那么，很明显，地球就处于以太的包围当中。这样上面那个比喻应该很容易明白吧？”麦克尔孙顿了一下。　
　“或者，再换个比喻方法。以太是空气，我们就像坐着30公里每秒的自行车在当中飞奔！没错，我们就会感觉到‘以太风’的迎面吹来，是吧？好的，接下来我们就尝试去测出这种以太风的效应。”　
　“海浪在海洋中以速度v运动，而我们的潜水艇以相对海洋a的速度与海浪相向而行。那么，我们在潜水艇上应该测得海浪的速度是v＋a，对吧？一束光在以太中以相对以太c的速度运动，而我们的地球以相对以太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