聊聊狭义相对论-第8章

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


　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，也应该相对地球是运动的。　
　事实上，另外一个实验——斐索实验同样证明了这一点，不过，在这里我就不去谈斐索实验了，它必须结合数学工具来说，这样艰巨的任务就留给大学来完成吧。诸位，你只需要知道有这么一回事就足够了。　
　看来，线索又中断了，不过，我们应该高兴的是，我们又排除了一种可能——由于地球相对以太是静止的，所以我们观察不到干涉条纹。先别皱着眉头，路还长着哩！


我们已经排除了两种可能。一是逻辑本身存在问题；二是地球相对以太是静止的。还有没有其他的可能呢？　
　我们再来细细品味麦克尔孙…莫雷实验，阴谋一定就在其中。　
　别着急，面对危难，依旧保持清醒的头脑，冷静沉着，才能成就大器。别忘了你现在是谁！　
　我们的实验假设似乎没有问题，我们的实验目的和过程也是有依有据的。那？哪里还有什么问题吗？为什么我们得不到设想中的结果？　
　既然整个实验我们都没有找到不合理的地方，我们又没有忽略什么，那么问题就应该出现在其他地方。比如说，我们错过了有什么未知的现象，正是这种现象阻碍了干涉条纹的产生！可是，究竟有没有这种现象呢？　
　假设上帝创造世界时制定了这么个法则：凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹。这是一种可能吧？可是，我们能相信吗？要是站在自然科学的信仰上看，这个解释是极其荒唐的。为什么大自然要有这么一条特殊的法则？“大自然喜欢简洁”是我们一直以来进行科学研究的信仰。这么一条特殊的法则，不到万不得已、无路可走的情况下都不会被科学家接受。　
　因为上帝说凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹，所以我们观测不到条纹。这不是等于没有解释吗？打个比方，当时苹果掉下来的时候，牛顿如果是这样解释的话“因为上帝说是苹果都得掉回地面，所以这个苹果掉向地面！”，恐怕谁也不服，简直是开玩笑嘛！也肯定没有牛顿引力定律了。那依此类推，上帝还得制定“是小猫都得掉回地面”“是面包都得掉回地面”云云。如此之多的法则，独立开来，这正跟科学的目的相悖，我们的目标是——　
　用尽量少的假设去解释尽量多的现象。　
　正是这种信仰，让我们走到了今天，创造了今天的财富。　
　而现在，为了解释千千万万个实验中的一个，如此破费，不太值得吧？　
　这种可能先放下，不到最后一刻，我们都不可以用。没有理由，我们的信仰而已，搞科学也得有信仰呀！来，继续寻找其他的可能解释。　
　那还有没有其他的比较合理的、我们未知而又影响了麦克尔孙…莫雷实验的现象呢？　
　思考一下。我们的装置的镜子到镀银玻璃的距离都是L，相等的，所以我们认为由于两束光的速度不同，时间就自然不同了，也便会出现条纹！但是，等等，是不是两个距离真的都是L呢？　
　是的呀！我都量过了，毋庸置疑！确实是L！　
　等等，我的意思是，你量得是L没错，可是，做实验时还能保证它们都是L吗？　
　什么意思？　
　也就是说，本来与地球运动方向相同的镜子M2那路的距离是L，按照我们的分析，由于速度的原因，光线会比另外一路迟一点到达莫雷那地方。但是，会不会存在这么一种效应，由于运动，在运动方向上的长度会变短！而变短的程度，刚好使得麦克尔孙…莫雷实验中M2那路的光线走过的时间与M1那路一样了！　
　乍一看，那是相当的有道理呀！是呀！不准还真有这么一种效应，只不过之前我们还没有发现而已呢！而正是它阻碍了我们观察到干涉条纹！　
其实，这种解决方法最早由荷兰的一个名叫洛伦兹（1853…1928）的物理学家和数学家提出来，在1892年，为了说明麦克尔孙…莫雷实验的结果，他独立地提出了长度收缩的假说，就是相对以太运动的物体，其运动方向上的长度会缩短。到了1895年，他还发表了长度收缩的准确公式（在这里就不写出来了，当然是替那些对数学过敏的朋友着想。但还是顺带一句，洛伦兹的公式跟未来爱因斯坦推出的长度公式是一样的）。　
　如果你中学稍微认真一点听物理课的话，一定还会记得一个“洛伦兹力”。它指的就是带电粒子在磁场中运动所受到的一种力，这里的“洛伦兹”就是那个提出长度收缩假说的洛伦兹。洛伦兹由于在电子方面的贡献，获得了1902年的诺贝尔物理学奖。洛伦兹掌握了很多门外语，相信不当物理学家，也能靠翻译过日子，确实是个能人。　
　可是，这种解释你信服吗？肯定不信！这，不跟上面的“因为上帝说凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹，所以我们观测不到条纹”有异曲同工之“妙”吗？因为“相对以太运动的物体，其运动方向上的长度会缩短，所以我们看不到条纹”，这未免也有点牵强吧？　
　为什么会缩短呢？能不能从什么基础上推出来？凭空想象来的呀！半路杀出个程咬金！无端端，跑了个这么的东西出来，不只是你，连当时洛伦兹的很多同行充满非议——这不是为了纯粹解决困难才想出来的嘛！这只是个纯粹为了符合实验而发明的假说！　
　不同意！……不同意……太不可想象了！你说缩短了，那么你测量得出来吗？嘿嘿，不行，因为尺子也缩短了！噢，天呐，我……　
　没有来历的家伙！就像今天户口的黑户，什么都不知道。