第五章 空間和時間的相對性
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動使然，而是因為實驗研究中經常會出現一些難以對付的事實，與獨立的時間和空間的經典圖景不符。
經典物理學這座似乎永世長存的美麗城堡的基礎受到的第一次沖擊源于1887年美國物理學家邁克耳孫（AlbertAbrahamMichelson）所做的一個看起來樸實無華的實驗，它幾乎震撼了這精巧建築物的每一塊磚石，使其牆壁搖搖欲墜，就像耶利哥的城牆在約書亞的号角聲中倒塌一樣。
邁克耳孫實驗的想法非常簡單，它基于這樣一種物理圖像：光在通過所謂&ldquo傳遞光的以太&rdquo（一種均勻充滿宇宙空間以及所有物體原子之間的假想物質）時，會表現出某種波動性。
将一塊石頭丢進池塘，水波會沿四面八方傳播。
振動的音叉發出的聲音以波的形式向四面傳播，任何明亮物體發出的光也是如此。
然而，水面上的波紋清楚地顯示了水微粒的運動，聲波也已知是聲音所穿過的空氣或其他物質的振動，但我們卻找不到任何傳遞光波的物質媒介。
事實上，（與聲音相比）光能在空間中如此輕易地傳播，空間似乎是完全空虛的！ 然而，倘若沒有什麼東西在振動，又談論某種振動的東西，這似乎太不合邏輯。
于是，物理學家不得不引入&ldquo傳遞光的以太&rdquo這樣一個新概念，以便在試圖解釋光的傳播時為&ldquo振動&rdquo這個動詞提供一個實體性的主詞。
從純語法的角度來看，任何動詞都必須有一個主詞，&ldquo傳遞光的以太&rdquo的存在性不可能被否認。
但&mdash&mdash這個&ldquo但&rdquo要大聲強調&mdash&mdash語法規則并沒有規定也不可能規定，這個為了正确造句而不得不引入的主詞具有什麼物理性質！ 如果我們把&ldquo光以太&rdquo定義為傳播光波的東西，那麼說光波在光以太中傳播倒是千真萬确的，但這是一句完全無謂的重言式。
查明這種光以太究竟是什麼以及具有什麼樣的物理性質，乃是完全不同的問題。
這裡，任何語法都幫不了我們，答案隻能來自物理學。
在接下來的讨論中我們會看到，19世紀物理學所犯的最大錯誤在于假定這種光以太具有類似于我們所熟知的日常物體的那些性質。
人們習慣于談論光以太的流動性、剛性、各種彈性甚至是内摩擦。
一方面，光以太在傳遞光波時表現得像一種振動的固體；28另一方面，它又顯示出完全的流動性，對天體的運動毫無阻礙。
這樣一來，光以太就被類比于封蠟一樣的物質：人們知道，封蠟等物質非常堅硬，在迅速的機械撞擊之下很容易碎裂；但若靜置足夠長的時間，又會在自身重量的作用下像蜂蜜一樣流動。
根據這種類比，舊物理學設想光以太充滿了整個宇宙空間，對于與光的傳播有關的高速擾動來說表現得像堅硬的固體；而對于在其中穿行、速度比光慢幾千倍的行星和恒星來說，卻又表現得像液體。
這樣一種或可稱為拟人化的觀點試圖把我們所熟知的普通物質的性質歸于一種除名稱以外一無所有的物質，它從一開始就遭遇了巨大的失敗。
人們雖然作了許多努力，但仍然無法對光波的這種神秘傳遞者給出合理的力學解釋。
根據我們目前擁有的知識，很容易看出這種努力錯在何處。
事實上我們知道，普通物質的所有機械性質都可以追溯到構成物質的原子之間的相互作用。
例如，水的高度流動性是由于水分子之間可以作摩擦很小的滑動；橡膠的彈性是由于橡膠分子很容易變形；金剛石的堅硬則是由于構成金剛石晶體的碳原子被緊緊地束縛在一種剛性點陣結構中。
因此，各種物質所共有的一切機械性質都是緣于它們的原子結構，但這條規則在運用于像光以太這樣被認為絕對連續的物質上時是毫無意義的。
光以太是一種特殊類型的物質，它與我們熟知的原子嵌鑲結構或通常所說的物質毫無相似性。
我們可以把光以太稱為一種&ldquo物質&rdquo（這僅僅因為它充當着&ldquo振動&rdquo這個動詞在語法上的主詞），但也可以稱之為&ldquo空間&rdquo。
不過要記住，正如我們之前已經看到，之後還會看到的，空間可能具有某種形态特征或結構特征，它比歐幾裡得幾何學中的空間觀念複雜得多。
事實上在現代物理學中，&ldquo光以太&rdquo（除去它那些據稱的力學性質）和&ldquo物理空間&rdquo被認為是同義詞。
不過我們已經偏離得太遠，竟然開始對&ldquo光以太&rdquo一詞進行哲學分析了。
現在我們還是回到邁克耳孫實驗的話題上來吧。
如前所述，這個實驗的想法是非常簡單的：如果光是在以太中穿行的波，那麼地面上的儀器所記錄的光速将因為地球在空間中運動而受到影響。
站在沿軌道繞日運行的地球上，我們會經驗到一股&ldquo以太風&rdquo，就像即使天晴無風，人站在快速行駛的船的甲闆上也會感到有風撲面而來一樣。
當然，我們是感覺不到&ldquo以太風&rdquo的，因為它已被假定能夠毫無困難地穿透到我們的身體原子之間。
但是通過測量沿不同方向相對于我們運動的光速，就應該能夠探測到它的存在。
衆所周知，順風傳播的聲音速度比逆風傳播的大，因此，順着以太風傳播的光的速度似乎也應當大于逆着以太風傳播的光的速度。
做過如此推理之後，邁克耳孫着手設計了一套儀器，能夠記錄沿各個方向傳播的光速的差别。
當然，要想做到這一點，最簡單的辦法是采用前面提到的斐索的儀器（圖31c），把它轉到不同的方向進行一系列測量。
但這樣做并不很現實，因為這要求每次測量都有很高的精度。
事實上，由于我們所預期的速度差（等于地球的速度）隻有光速的萬分之一左右，所以必須以極高的準确度來進行每一次測量。
如果你有兩根長度大緻相同的棒，并想知道其長度究竟相差多少，那麼最簡單的辦法就是把兩根棒的一端對齊，在另一端量出差異。
這就是所謂的&ldquo零點法&rdquo。
邁克耳孫的儀器草圖如圖36所示，它便是利用零點法來比較光沿兩個相互垂直的方向的速度差的。
圖36 這套儀器的中心部件是一個玻璃片B，上面鍍着一層薄薄的半透明的銀，可以使入射光的一半發生反射，并讓其餘的一半透過。
于是，光源A發出的光束被B分成兩個相互垂直的部分，這兩束光分别被與中心玻璃片等距的鏡子C和D反射回B。
從D返回的光有一部分會穿過銀膜，從C返回的光有一部分會被銀膜反射，在儀器入口處被分開的這兩束光在進入觀察者眼睛時會重新結合起來。
根據大家所熟知的一條光學定律，這兩束光會彼此幹涉，形成一套肉眼可見的明暗條紋。
如果距離BD與BC相等，兩束光将會同時返回中心部件，亮條紋會位于圖像中心。
如果稍微改變距離，使一束光有所延遲，則條紋就會向左或向右移動。
由于該儀器位于地球表面，而地球正快速穿過空間，所以我們必然會預期，以太風正以地球運動的速度吹過地球。
例如，假定這股風沿着從C到B的方向刮去（如圖36所示），我們來看看它會給趕往相會地點的兩束光的速度造成什麼差别。
請記住，其中一束光是先逆風後順風，另一束光則是在風中來回橫穿。
那麼哪一束光先回
經典物理學這座似乎永世長存的美麗城堡的基礎受到的第一次沖擊源于1887年美國物理學家邁克耳孫（AlbertAbrahamMichelson）所做的一個看起來樸實無華的實驗，它幾乎震撼了這精巧建築物的每一塊磚石，使其牆壁搖搖欲墜，就像耶利哥的城牆在約書亞的号角聲中倒塌一樣。
邁克耳孫實驗的想法非常簡單，它基于這樣一種物理圖像：光在通過所謂&ldquo傳遞光的以太&rdquo（一種均勻充滿宇宙空間以及所有物體原子之間的假想物質）時，會表現出某種波動性。
将一塊石頭丢進池塘，水波會沿四面八方傳播。
振動的音叉發出的聲音以波的形式向四面傳播，任何明亮物體發出的光也是如此。
然而，水面上的波紋清楚地顯示了水微粒的運動，聲波也已知是聲音所穿過的空氣或其他物質的振動，但我們卻找不到任何傳遞光波的物質媒介。
事實上，（與聲音相比）光能在空間中如此輕易地傳播，空間似乎是完全空虛的！ 然而，倘若沒有什麼東西在振動，又談論某種振動的東西，這似乎太不合邏輯。
于是，物理學家不得不引入&ldquo傳遞光的以太&rdquo這樣一個新概念，以便在試圖解釋光的傳播時為&ldquo振動&rdquo這個動詞提供一個實體性的主詞。
從純語法的角度來看，任何動詞都必須有一個主詞，&ldquo傳遞光的以太&rdquo的存在性不可能被否認。
但&mdash&mdash這個&ldquo但&rdquo要大聲強調&mdash&mdash語法規則并沒有規定也不可能規定，這個為了正确造句而不得不引入的主詞具有什麼物理性質！ 如果我們把&ldquo光以太&rdquo定義為傳播光波的東西，那麼說光波在光以太中傳播倒是千真萬确的，但這是一句完全無謂的重言式。
查明這種光以太究竟是什麼以及具有什麼樣的物理性質，乃是完全不同的問題。
這裡，任何語法都幫不了我們，答案隻能來自物理學。
在接下來的讨論中我們會看到，19世紀物理學所犯的最大錯誤在于假定這種光以太具有類似于我們所熟知的日常物體的那些性質。
人們習慣于談論光以太的流動性、剛性、各種彈性甚至是内摩擦。
一方面，光以太在傳遞光波時表現得像一種振動的固體；28另一方面，它又顯示出完全的流動性，對天體的運動毫無阻礙。
這樣一來，光以太就被類比于封蠟一樣的物質：人們知道，封蠟等物質非常堅硬，在迅速的機械撞擊之下很容易碎裂；但若靜置足夠長的時間，又會在自身重量的作用下像蜂蜜一樣流動。
根據這種類比，舊物理學設想光以太充滿了整個宇宙空間，對于與光的傳播有關的高速擾動來說表現得像堅硬的固體；而對于在其中穿行、速度比光慢幾千倍的行星和恒星來說，卻又表現得像液體。
這樣一種或可稱為拟人化的觀點試圖把我們所熟知的普通物質的性質歸于一種除名稱以外一無所有的物質，它從一開始就遭遇了巨大的失敗。
人們雖然作了許多努力，但仍然無法對光波的這種神秘傳遞者給出合理的力學解釋。
根據我們目前擁有的知識，很容易看出這種努力錯在何處。
事實上我們知道，普通物質的所有機械性質都可以追溯到構成物質的原子之間的相互作用。
例如，水的高度流動性是由于水分子之間可以作摩擦很小的滑動；橡膠的彈性是由于橡膠分子很容易變形；金剛石的堅硬則是由于構成金剛石晶體的碳原子被緊緊地束縛在一種剛性點陣結構中。
因此，各種物質所共有的一切機械性質都是緣于它們的原子結構，但這條規則在運用于像光以太這樣被認為絕對連續的物質上時是毫無意義的。
光以太是一種特殊類型的物質，它與我們熟知的原子嵌鑲結構或通常所說的物質毫無相似性。
我們可以把光以太稱為一種&ldquo物質&rdquo（這僅僅因為它充當着&ldquo振動&rdquo這個動詞在語法上的主詞），但也可以稱之為&ldquo空間&rdquo。
不過要記住，正如我們之前已經看到，之後還會看到的，空間可能具有某種形态特征或結構特征，它比歐幾裡得幾何學中的空間觀念複雜得多。
事實上在現代物理學中，&ldquo光以太&rdquo（除去它那些據稱的力學性質）和&ldquo物理空間&rdquo被認為是同義詞。
不過我們已經偏離得太遠，竟然開始對&ldquo光以太&rdquo一詞進行哲學分析了。
現在我們還是回到邁克耳孫實驗的話題上來吧。
如前所述，這個實驗的想法是非常簡單的：如果光是在以太中穿行的波，那麼地面上的儀器所記錄的光速将因為地球在空間中運動而受到影響。
站在沿軌道繞日運行的地球上，我們會經驗到一股&ldquo以太風&rdquo，就像即使天晴無風，人站在快速行駛的船的甲闆上也會感到有風撲面而來一樣。
當然，我們是感覺不到&ldquo以太風&rdquo的，因為它已被假定能夠毫無困難地穿透到我們的身體原子之間。
但是通過測量沿不同方向相對于我們運動的光速，就應該能夠探測到它的存在。
衆所周知，順風傳播的聲音速度比逆風傳播的大，因此，順着以太風傳播的光的速度似乎也應當大于逆着以太風傳播的光的速度。
做過如此推理之後，邁克耳孫着手設計了一套儀器，能夠記錄沿各個方向傳播的光速的差别。
當然，要想做到這一點，最簡單的辦法是采用前面提到的斐索的儀器（圖31c），把它轉到不同的方向進行一系列測量。
但這樣做并不很現實，因為這要求每次測量都有很高的精度。
事實上，由于我們所預期的速度差（等于地球的速度）隻有光速的萬分之一左右，所以必須以極高的準确度來進行每一次測量。
如果你有兩根長度大緻相同的棒，并想知道其長度究竟相差多少，那麼最簡單的辦法就是把兩根棒的一端對齊，在另一端量出差異。
這就是所謂的&ldquo零點法&rdquo。
邁克耳孫的儀器草圖如圖36所示，它便是利用零點法來比較光沿兩個相互垂直的方向的速度差的。
圖36 這套儀器的中心部件是一個玻璃片B，上面鍍着一層薄薄的半透明的銀，可以使入射光的一半發生反射，并讓其餘的一半透過。
于是，光源A發出的光束被B分成兩個相互垂直的部分，這兩束光分别被與中心玻璃片等距的鏡子C和D反射回B。
從D返回的光有一部分會穿過銀膜，從C返回的光有一部分會被銀膜反射，在儀器入口處被分開的這兩束光在進入觀察者眼睛時會重新結合起來。
根據大家所熟知的一條光學定律，這兩束光會彼此幹涉，形成一套肉眼可見的明暗條紋。
如果距離BD與BC相等，兩束光将會同時返回中心部件，亮條紋會位于圖像中心。
如果稍微改變距離，使一束光有所延遲，則條紋就會向左或向右移動。
由于該儀器位于地球表面，而地球正快速穿過空間，所以我們必然會預期，以太風正以地球運動的速度吹過地球。
例如，假定這股風沿着從C到B的方向刮去（如圖36所示），我們來看看它會給趕往相會地點的兩束光的速度造成什麼差别。
請記住，其中一束光是先逆風後順風，另一束光則是在風中來回橫穿。
那麼哪一束光先回