惱人的速度問題

那么愛因斯坦為何要質(zhì)疑時(shí)間的概念呢？

這是由于伽利略運(yùn)動(dòng)學(xué)所遇到的一個(gè)令人驚訝的問題。我們之前提到過，伽利略運(yùn)動(dòng)學(xué)描述了自由物體的運(yùn)動(dòng)，這些物體沒有受到任何相互作用的影響。因此這一運(yùn)動(dòng)只取決于這些物體的空間和時(shí)間特性！這就使得運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn)為空間和時(shí)間的特性及它們之間的關(guān)系。

伽利略運(yùn)動(dòng)學(xué)（或牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)）有一個(gè)顯著且眾人皆知的特性：在該理論中，物體的速度是簡(jiǎn)單的疊加。例如你在一列以v₂速度前進(jìn)的火車中以v₁的速度向前走，那么相對(duì)于鐵軌來(lái)說(shuō)，你前進(jìn)的速度為v₁+v₂。這個(gè)理所當(dāng)然的（a priori）現(xiàn)象，卻成了一個(gè)決定性危機(jī)的問題核心。

的確，十九世紀(jì)的物理學(xué)家們慢慢發(fā)現(xiàn)光似乎沒有遵守這一規(guī)則：它本應(yīng)該與發(fā)出它的光源的速度疊加，可它卻完全保持著勻速！這似乎是一個(gè)明顯的謬誤，卻被阿爾伯特·邁克耳孫和愛德華·莫雷1887年的實(shí)驗(yàn)殘酷地證實(shí)（參見后文卡片“沒有以太”）?？茖W(xué)界于是被這樣說(shuō)服：光不遵守與物質(zhì)相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)則。但是，如果說(shuō)運(yùn)動(dòng)學(xué)解釋了空間與時(shí)間最基礎(chǔ)的關(guān)系，那么如何解釋這一不同呢？空間和時(shí)間最基礎(chǔ)的特性怎么能夠因?yàn)槊浇槭枪膺€是物質(zhì)這種不同而變化呢？這真是一個(gè)謎……

圖1：邁克耳孫和莫雷實(shí)驗(yàn)

沒有以太

十九世紀(jì)，物理學(xué)家們認(rèn)為光要傳播，需要一個(gè)占據(jù)整個(gè)空間的介質(zhì)。他們把這種介質(zhì)稱為“以太”。光似乎是一種類似于波浪的波，而后者是有承載物的，那就是大海，以太之于光所扮演的角色就如大海之于波浪。但根據(jù)伽利略和牛頓的運(yùn)動(dòng)學(xué)，如果光在以太中傳播，那么它的速度應(yīng)該與其光源的速度疊加——如果其光源也在運(yùn)動(dòng)中。那么通過測(cè)量多個(gè)光的（直覺上來(lái)說(shuō)不同的）速度，人們應(yīng)該可以明顯看到地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)很明顯：一束光按照地球的運(yùn)動(dòng)軌道傳播，另一束從相反的方向或者垂直的方向傳播。

1887年，美國(guó)物理學(xué)家邁克耳孫與莫雷使用了一臺(tái)干涉儀（由邁克耳孫發(fā)明的一種非常精確的儀器）進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)。結(jié)果是否定的：無(wú)論光的傳播方向?yàn)楹?，它總是有著相同的速度；沒有任何“以太風(fēng)”存在的征兆……

然而有些物理學(xué)家卻從中看到了解決方法。二十世紀(jì)初期，喬治·菲茨杰拉德，亨德里克·洛倫茲和昂利·龐加萊分別提出了一個(gè)相同的公式，能夠解決這個(gè)棘手的問題。它修改了速度構(gòu)成的（運(yùn)動(dòng)學(xué)）規(guī)則：從此再不是簡(jiǎn)單的疊加，而是這一公式詳細(xì)表述的新組成方式，而這一公式后來(lái)被稱為“洛倫茲變換”。其價(jià)值在于它同時(shí)考慮到了物質(zhì)和光的運(yùn)動(dòng)。

首先，如果相關(guān)物體的速度不是很快，那么結(jié)果就幾乎與傳統(tǒng)疊加規(guī)則相同。所有的“日常”物體就是如此，對(duì)于這些物體，伽利略的公式就已經(jīng)足夠精確。

但是，如果兩個(gè)速度之一是c，即光在真空中的速度，那么結(jié)果則仍然是c；這就清楚地表述了光速是永恒不變的。而且這一公式意味著任何有形物體都不能達(dá)到c這一速度，所以后者成為了絕對(duì)極限。

新公式解決了既有問題。但它以一種奇怪的方式“混淆”了時(shí)間和空間的坐標(biāo)。人們似乎很難將其與常見的空間和時(shí)間概念統(tǒng)一，而且它一直都十分神秘，直到1905年都沒有任何說(shuō)明……愛因斯坦于是明白了，對(duì)伽利略和牛頓使用的傳統(tǒng)框架，需要提出很深程度的懷疑，特別是要拋棄絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間概念。稍晚一些，德國(guó)物理學(xué)家赫爾曼·閔可夫斯基引進(jìn)了時(shí)空概念。而這一概念后來(lái)被當(dāng)作運(yùn)動(dòng)學(xué)的變革，以及制定愛因斯坦狹義相對(duì)論最合適的框架。

光速前進(jìn)

1676年，丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默通過觀察木星的衛(wèi)星，首次發(fā)現(xiàn)光是以有限的速度傳播的。當(dāng)時(shí)沒有任何跡象表明這一速度有什么特別。變化出現(xiàn)在十九世紀(jì)：首先是麥克斯韋了解到光是一種電磁現(xiàn)象。進(jìn)而實(shí)驗(yàn)證明，光速并不與其他速度（例如有形物體的速度）疊加，它的速度總是完全不變的。

愛因斯坦通過他的狹義相對(duì)論理論對(duì)這一奇怪現(xiàn)象做出了解釋：光以這一精確速度（記作c）傳播的事實(shí)展示了時(shí)空的特性。而其他所有的光都應(yīng)該以相同的速度c傳播。物理學(xué)家們?nèi)缃駥⒅醋髯匀恢凶罨A(chǔ)的常數(shù)，與其說(shuō)它描述了光的特性，不如說(shuō)是描述了時(shí)空的特性。

例如，我們習(xí)慣于說(shuō)速度c大約是300 000千米/秒或300 000 000米/秒。但相對(duì)論將空間和時(shí)間放到了相同的次元。我們習(xí)慣于用不同度量測(cè)量時(shí)間（以秒計(jì)）和長(zhǎng)度（以米計(jì)），讓我們當(dāng)這是“歷史的偶然”吧！在愛因斯坦理論的框架中，對(duì)長(zhǎng)度和時(shí)間長(zhǎng)短使用同一單位是完全合理的。天文學(xué)家們也正是用光時(shí)或光年來(lái)表述距離。在這一使用同一單位的系統(tǒng)中，例如“光秒和秒”，則速度c的值簡(jiǎn)單地為1。對(duì)于物理學(xué)家們來(lái)說(shuō)這一使用方式是很方便的（可以避免使用過大的數(shù)字），但是對(duì)于普通人的日常生活卻并非如此。這也是為什么我們會(huì)使用米和秒；常數(shù)c只是這些單位之間的一個(gè)“轉(zhuǎn)換因子”。

這些（自1983年開始）在定義長(zhǎng)度單位時(shí)都被考慮到了：根據(jù)國(guó)際計(jì)量局的官方規(guī)定，長(zhǎng)度的單位是秒，米作為衍生單位，被定義為等于1/299792458秒。我們只是需要一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間來(lái)習(xí)慣這個(gè)定義。