邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)
在相對(duì)論問(wèn)世之前,以太的觀念就已經(jīng)不得不離開歷史舞臺(tái)了.以太是由日常經(jīng)驗(yàn)啟發(fā)出來(lái)的.聲音是空氣中的波,漣漪是水中的波.所以十九世紀(jì)的物理學(xué)家自然地想到,光同樣必須是在某種東西中的振動(dòng),他們就把這種東西稱之為以太.正如派斯（Abraham Pais）所說(shuō),以太是“一個(gè)富有奇趣的假想介質(zhì),它的引入是為了解釋光波的傳播.”以太也為測(cè)量絕對(duì)空間提供了一個(gè)標(biāo)度.它可以被想象為一張籠罩著整個(gè)宇宙的無(wú)形的網(wǎng),就像地圖上的經(jīng)緯線一樣,可以作為測(cè)量距離的參考系.
我們前面談到過(guò)的麥克斯韋電磁理論,它的成功啟發(fā)了一些人去做實(shí)驗(yàn),目的是測(cè)出地球繞日運(yùn)行穿過(guò)以太的速度——也就是“以太漂移”的速度.事實(shí)上,正是這其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)——1887年在克里夫蘭的切斯應(yīng)用力學(xué)學(xué)院做的——讓以太的幽靈壽終正寢.這是搜尋以太的實(shí)驗(yàn)中最著名的一個(gè),是由物理學(xué)教授邁克耳孫和他的同事莫雷,一位化學(xué)教授,一起完成的.基本上,他們的實(shí)驗(yàn)是重復(fù)邁克耳孫以前的一個(gè)實(shí)驗(yàn),在那個(gè)實(shí)驗(yàn)里誤差把結(jié)果搞得模糊不清.他們用一個(gè)光源向兩個(gè)方向發(fā)射光束,兩束光被與光源距離相等的兩面鏡子反射回來(lái).其中一束光的方向,是沿著設(shè)想的地球相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的方向,另一束的方向與其垂直.
邁克耳孫和莫雷期待發(fā)現(xiàn),在兩個(gè)相互垂直的方向上光線傳播的速度會(huì)有不同,這差別可能就是由于地球在以太中穿行的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的.比如,在地球軌道運(yùn)動(dòng)方向上傳播的光,會(huì)相對(duì)以太風(fēng)逆行.這樣,這束光的速度就會(huì)比其它方向上的光速慢.分析光的運(yùn)動(dòng)就可以知道,垂直于以太風(fēng)方向的光束,比沿著以太風(fēng)方向的光束提早被反射回來(lái).兩束光被反射回到光源處的時(shí)間差,可以計(jì)算出來(lái)并與實(shí)驗(yàn)相比較.但是邁克耳孫和莫雷沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)時(shí)間差.為了防止地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),以太風(fēng)的方向發(fā)生改變而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,他們?cè)谝荒甑牟煌瑫r(shí)間重復(fù)同樣的實(shí)驗(yàn).但是不管他們?nèi)绾闻?還是沒(méi)有觀察到時(shí)間差別.這就是說(shuō),根本就沒(méi)有以太.
這是一個(gè)令人驚奇的結(jié)果.諾貝爾獎(jiǎng)獲得者密立根（RobertMillikan）當(dāng)時(shí)認(rèn)為,它是一個(gè)“不合道理的,看上去無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)事實(shí).”看來(lái),不論光是順著以太風(fēng)或地球運(yùn)動(dòng)方向走,還是逆著走,光的速度并沒(méi)有改變.如果以太站不住腳了,力學(xué)體系本身可能就需要重新改寫.“靜止的以太”提供了一個(gè)絕對(duì)的參考系,它是牛頓心理上需要的,雖然牛頓力學(xué)也認(rèn)為以太是多余的：因?yàn)闆](méi)有辦法去探測(cè)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)——如果你在火車?yán)锓攀肿屢粋€(gè)球落下,則無(wú)論火車是停著,還是以不變的速度在行駛,球都將是垂直地下落.人們所能夠觀察到的,只是兩個(gè)物體彼此間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),并不存在什么絕對(duì)的參考系.
但是,仍然有一種看來(lái)是從邏輯上對(duì)以太的需要,因?yàn)殡姶艑W(xué)并不滿足此種相對(duì)性原理.電磁作用隨著觀察者而異,并且看上去確與某個(gè)絕對(duì)參考系有關(guān)：當(dāng)時(shí)就有不同的方法,解釋發(fā)電機(jī)如何把運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成電力,電動(dòng)機(jī)又如何把電力轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng).因?yàn)橐蕴挠^念已經(jīng)站不住腳了,愛(ài)因斯坦需要一個(gè)新的理論,它對(duì)所有的自然現(xiàn)象給出一個(gè)統(tǒng)一的描述.結(jié)果是他改寫了物理學(xué),讓邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)的否定結(jié)果成為新原理的自然后果.
許多作者聲稱,邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn),與另一些或早或晚的實(shí)驗(yàn)一起,是對(duì)以太致的悼詞.這樣說(shuō)無(wú)疑是過(guò)于簡(jiǎn)單了.許多著名的物理學(xué)家,仍在努力使邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)與以太的假說(shuō)相符合.這當(dāng)中,最有名的要算是荷蘭的洛倫茲和愛(ài)爾蘭的菲茲哲羅（George FrancisFitzgerald）.他們?cè)噲D利用上一章中提到過(guò)的洛倫茲變換,用物體穿過(guò)以太運(yùn)動(dòng)時(shí)的物理收縮來(lái)解釋邁克耳孫—莫雷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.這樣,以太的假說(shuō)就可以仍然成立,不過(guò)要以一種未經(jīng)解釋的運(yùn)動(dòng)物體的畸變作為代價(jià).我們將會(huì)看到,這種長(zhǎng)度收縮,與愛(ài)因斯坦所揭示的世界中的效應(yīng)相近,我們以后必須習(xí)慣于這種效應(yīng).
洛倫茲實(shí)際上已經(jīng)接近了狹義相對(duì)論的公式,但是他不能擺脫牛頓的絕對(duì)時(shí)間“經(jīng)典”觀念的束縛,并且緊抱著以太理論不放.法國(guó)數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家龐加萊,對(duì)牛頓力學(xué)造成的問(wèn)題看得很清楚,他問(wèn)道：“以太究竟是什么,它的分子是如何排列的,它們是相互吸引還是相互排斥?”他并且熱切期望著如愛(ài)因斯坦后來(lái)提出的根本解決辦法.他說(shuō)道：“也許我們必須建立一種新的力學(xué),對(duì)它我們只能夠管中窺豹,……在這個(gè)新力學(xué)中,光速是一個(gè)不可逾越的極限.”1904年龐加萊甚至于編造出一個(gè)“相對(duì)論原理”.但是按照愛(ài)因斯坦自己的說(shuō)法,看來(lái)龐加萊至死都沒(méi)有搞懂狹義相對(duì)論的物理含義.
愛(ài)因斯坦本人很久以后才知道上述物理學(xué)家的種種努力,他基本上是獨(dú)立地得出他的理論的.他當(dāng)時(shí)并不熟悉那些在物理學(xué)雜志上發(fā)表的、時(shí)新的研究論文的內(nèi)容.確實(shí),他一點(diǎn)不知道洛倫茲1895年以后的工作；特別是,如我們將會(huì)看到的那樣,他從沒(méi)有聽說(shuō)過(guò)洛倫茲變換,但這個(gè)變換卻在他自己的研究結(jié)果中再現(xiàn)了.我們甚至都不清楚,愛(ài)因斯坦是否認(rèn)為,邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)他后來(lái)的狹義相對(duì)論起了決定性的影響,雖然1916年他的朋友心理學(xué)家沃斯默（ Max Wertheimer）在柏林采訪他時(shí),他明確地說(shuō)過(guò)是受到過(guò)它的影響.然而,在1954年的一封信中,他堅(jiān)持說(shuō)：“在我自己的研究過(guò)程中,邁克耳孫的結(jié)果對(duì)我并沒(méi)有多大影響.我甚至于都記不清楚,當(dāng)我寫關(guān)于這個(gè)題目的第一篇論文的時(shí)候[1905],我是否知道這一結(jié)果.在我個(gè)人的奮斗中,邁克耳孫的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有起過(guò)作用,或者至少是沒(méi)有起過(guò)決定性的作用.”