经典时空观

7.1山雨欲来风满楼：相对论的历史背景

我们在这里并没有革命行动，而不过是一条可以回溯几个世纪的路线的自然继续。

——爱因斯坦

从这一章开始，我们将进入一个叫做后牛顿物理学的新领域，这个领域的标志性年代是1900年。在此之前发展起来的物理学各个领域属于牛顿物理学，也常常被称为经典物理学。从伽利略和牛顿开始，一直到麦克斯韦和赫兹，在长达两百多年期间，由于许多物理学家的努力，经典物理学逐渐成为一个成熟的领域。在当时，人们所遇到的物理现象几乎没有哪一样是不能用经典物理学的理论解决的。比如说，地面上物体的运动规律和天体的运行法则，可以用牛顿力学来描述；涉及到由大量粒子组成的系统的问题，经典的热物理学理论可以解决；对于与电和磁相关的现象，麦克斯韦的电磁理论完全可以胜任。由于这样一种状况，在当时的绝大多数物理学家当中，慢慢地滋生出一种自满的情绪，认为经典物理学理论的大厦已经建成，遗留下来的工作只不过是对这座宏伟的大厦的粉饰。

然而，就在物理学家充满自信的同时，出现了一系列新的实验现象，它使物理学家的自信心遭到沉重的打击。为了看一看19世纪末期物理学领域到底出了什么问题，让我们对经典物理学的基本观念做一个回顾。

首先让我们来考虑这样一个问题：假定你站在地面上，有一辆汽车以每秒10米的速率向前开，一位乘客在汽车上以每秒1米的速率朝车头扔一个硬币，在你看来，这个硬币运动得有多快？这是一个常识性的问题，任何一个具有初等物理学知识的人都知道答案：每秒11米。这个答案是伽利略的速度相加法则告诉我们的。自从大约400年前伽利略陈述了他那著明的相对性原理以来，人们就毫不怀疑这个答案。相对性原理可以直接通过这个法则推演出来。

我们再来看一个例子。你能够跳多远？假定你在地面上能够水平地跳出5米，这是一个相当不错的成绩。现在，假如让你到一艘以60千米的时速航行的航空母舰上去跳，你能够跳多远呢？向前跳或者向后跳对你的成绩有影响吗？如果你真的去试一试，你就会发现，在航空母舰上，无论你向前跳还是向后跳，或者向左跳还是向右跳，你跳出的成绩都是一样的：5米。为什么会这样呢？实际上，你的脚用多大的劲蹬踏地面就决定了你能够跳得有多远，同样地，当你在航空母舰上跳远时，你能够跳得有多远完全取决于你用多大的劲蹬踏甲板，与你到底是向前跳还是向后跳，或者向左跳还是向右跳，没有任何关系，也与舰艇是否开动没有关系。这意味着什么呢？它意味着：你用力的大小与你跳得有多远之间的关系，不会因为你所处的环境而改变。

在以上两个例子，特别是第二个例子的背后，隐藏着一条非常重要的科学原理，它就是伽利略相对性原理。这条原理说：物体受力的作用而运动所遵循的规律，在一个做匀速直线运动的观测者看来，与一个静止的观测者所看到的一模一样。为了清楚地理解“运动的规律一模一样”这句话指的是什么意思，让我们来考察一个例子。设想有两个观测者，第一个观测者站在地面上，另一个观测者驾驶着汽车在路面上行进。假定地面上的观测者看到一个质量等于m的物体受到一个力F的推动，并获得一个加速度a，他发现，这三个量满足一个简单的关系：F=ma。这就是牛顿运动定律，它反映了受力物体的运动规律。现在要问，在汽车上的观测者看来，这个物体的运动遵循怎样的规律？

显然，在汽车上的观测者看来，物体的运动速率肯定与地面上的观测者看到的不一样，这可以由伽利略速度相加法则得知。可是，牛顿运动定律怎样呢？首先，由伽利略速度相加法则可以推出，如果汽车以均匀的速率沿直线行驶，汽车上的观测者看到的物体的加速度与地面上的观测者看到的加速度应该一样；其次，牛顿假定，一个物体的质量不随该物体的运动状态而变。我们将看到，这个假定在一般情况下是不对的，不过，在日常生活所接触到的速率范围内，这个假定近似地成立，因而是可以接受的；此外，利用一种叫做矢量代数的数学工具可以证明，作用到物体上的力并不随观测者而变。于是，在汽车上的观测者也将发现，物体所受的力与它所获得的加速度以及它的质量，三者之间的关系遵循牛顿运动定律给出的关系。上面的分析告诉我们，牛顿运动定律在一辆匀速前进的汽车上仍然成立。这就是伽利略相对性原理。

我们是否可以将力学现象所满足的伽利略相对性原理推广到一般的物理现象呢？让我们再来看一个与扔硬币相似的例子，不过，我们这一次把扔硬币改为扔光波。设想我们有一辆超级汽车，它能够以每秒15万千米的速率飞驰，如果有一位乘客朝着车头的方向发射一个光信号，那么，在他看来，这个光信号以多大的速率传播呢？如果这时你刚好站在地面上看着这辆汽车以及里面发生的事情，那么，你看到的光速有多大？

为了回答这个问题，需要简单地回顾有关光的本性的两种观点。在牛顿之前，笛卡尔曾经提出过关于光的本性的两种假说。一种假说认为，光是一种类似于微粒的物质；另一种假说认为光是一种在“以太”中传播的波。“以太”是亚里士多德提出的构成宇宙的第五种元素，它被想象成充满整个空间，是绝对静止的。虽然笛卡尔本人更倾向于后一种观点，但是，关于光的本性的这两种假说为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。后来，与牛顿同时代的惠更斯发展了后一种观点，主张光是一种波，光波就象水波一样，是“以太”介质被扰动时出现的一种现象。不过，这种观点受到了来自牛顿的挑战，牛顿对光的本性持不同的看法，认为光是一种粒子。由于牛顿在科学上的权威，整个18世纪，对光的本性的看法基本上以微粒说为主。到了19世纪初，托马斯·杨(ThomasYoung，1773～1829)进行了著名的杨氏双缝干涉实验，使光的波动学说得以复兴。随后，到了19世纪末，由于麦克斯韦的电磁理论最终在实验上被证实，光的波动理论获得了全面的胜利。

既然光是一种波，那么，它是什么东西里的波呢？按当时的理解，人们采用了笛卡尔的观点，认为光波是“以太”粒子振动时产生的现象，光波就象机械波一样，在“以太”这种介质中传播。机械波有一个重要的特性，当波脱离波源后，它的传播速率与波源的运动状态无关，只取决于它在其中传播的介质的性质。既然这样，那么，所谓的光速，指的自然就是光相对于“以太”的速率。于是，上面提出的那两个问题，即在一辆超级汽车上发出的光信号的速率到底有多大，似乎就有了答案：你将看到光信号以每秒30万千米的速率传播，因为你站在地面上，你周围的“以太”相对于你是静止的（当然只是近似的）。由于汽车以每秒15万千米的速率向前开，也就是以这个速率向前追赶光信号，因此，汽车上的观测者将看到光以每秒15万千米的速率越过他向前传播。

这个答案使当时困扰着物理学家的一个重要的问题似乎得到了解决。

我们知道，牛顿的力学体系建立在这样一个基本观念上：时间的流逝和空间的尺度与观测者的运动状态没有任何关系。按照牛顿的观点，我们用来考察物体位置的空间实际上是相对空间，它必须由一个叫做“绝对空间”的玩意儿来量度。绝对空间与任何外部事物无关，是一个空着的绝对不动的容器，用来容纳大千世界。绝对空间是绝对静止不动的，所有别的观测者都相对于它运动；另一方面，我们用来考察事件进程的时间实际上是相对时间，只是一种叫做“绝对时间”的东西的某种表现形式。绝对时间与物质的存在及其运动没有任何关系。而且，空间与时间相互独立存在，彼此各不相关。这样一种把空间、时间和物质运动三者割裂开来的观念叫做绝对时空观。绝对时空观保证了经典力学的规律在不同运动状态的观测者看来具有相同的形式，即保证了伽利略相对性原理成立，伽利略的速度相加法则就是这种时空观的直接推论。因此，绝对时间和绝对空间是经典力学的根基，就象一座大楼的地基，没有了这两个概念，经典力学的大厦就不可能构建起来。可是，绝对空间在哪里呢？这是自牛顿以来令所有物理学家感到困惑的问题。

现在好了，麦克斯韦的电磁理论告诉我们，光是一种波，这种波相对于“以太”以每秒30万千米的速率传播。如果有一个观测者相对于“以太”做匀速直线运动，那么，他所观测到的光越过他传播的速率就可以用伽利略的速度相加法则计算。这就是我们在上面那辆超级汽车中看到的现象。由于“以太”被假定为是充满宇宙的绝对静止的介质，因此，人们曾经相信，相对于“以太”静止的空间就是经典力学中的绝对空间。

自从哥白尼以来，人们就知道，地球并不处于宇宙的中心，而是绕着太阳运动。因此，地球肯定穿过“以太”运动。如果我们能够确定地球相对于“以太”的运动速率，就相当于找到了经典力学的根基。

在这种想法的基础上，19世纪的物理学家花了大量的精力企图从实验上测出地球通过假想的“以太”运动时的运动速率。测量方法的基本原理就是伽利略的速度相加法则，假定光相对于“以太”的传播速率为c，地球相对于“以太”的运动速率为v，那么，当地球上的观测者测量向不同方向传播的光的速率时，就应该得到不同的数值。但是，这些尝试都以失败告终，根本测量不出地球的运动速率。

关于在地球上测量光速的问题，可以用一个简单的比喻来说明。如果地球在“以太”中以一定的速率运动，地球上的观察者就应当能够感受到“以太风”的存在，这就象在大海中航行时会感受到迎面吹来的海风。因此，在地球上测量光的传播速率也可以形象地说是测量“以太风”相对于地球的速率。但是，由于地球的运动速率（也就是“以太风”的速率）很小，测量起来并不是一件容易的事情。

在测量“以太风”的所有实验中，迈克尔逊(Albert Abraban Michelson, 1852-1931)和莫雷(Edward Williams Morley, 1838~1923)于1887年所做的实验是最著名的一个。迈克尔逊是19世纪一位著名的物理学家，在光谱学以及精密光学仪器方面有重大的贡献。这个实验是用他发明的干涉仪做的，在进行实验时，迈克尔逊和莫雷对不同方向的光束的速率做了精确的比较。根据伽利略的速度相加法则，在地球上进行测量时，这些光束的速率会稍有差别，他们所使用的仪器的灵敏度足以观测到这些差别。但是，实验的结果显示，不同方向的光束具有相同的速率。这就是说，没有测量出地球通过“以太”的运动速率。

图7-1迈克尔逊

干涉测量法的先驱。因光谱学和精密光学仪器方面的贡献，被授予1907年度的诺贝尔物理学奖，成为获得此项殊荣的第一个美国人。

图7-2 迈克尔逊－莫雷纪念碑

建于1973年，座落在这个历史性实验的所在地附近的凯西大学(Case WesternReserve University)内，为的是纪念这个具有重大历史意义的实验。在纪念碑的设计方案中，光透过流动的水波，不断地向人们述说着这个实验在科学发展中的重大作用。

迈克尔逊－莫雷实验是科学史上著名的判定性实验之一，它的否定结果似乎向我们表明，地球相对于“以太”的运动并不存在。人们对这个结果强烈地感到意外和失望。面对这个否定的结果，几位著名的物理学家试图在经典时空观的框架下做出解释，但是，这些解释看来都不那么行之有效。1905年，爱因斯坦(Albert Einstein, 1879~1955)提出了一种新的观点，从根本上解决了这个问题。这个观点是简单的并且是行之有效的，不过，要接受它，需要我们付出代价：放弃已经习以为常的时空观念