在牛顿所构建的经典力学殿堂中,速度与时间是两个互不相关的概念。速度就是速度,时间就是时间,它们彼此间似乎没有过多的交集。如果有人告诉你,速度能够左右时间流逝的节奏,你肯定会认为这个人精神失常(事实上,直到今日,依旧有部分人认为爱因斯坦的想法过于奇特)。
牛顿的经典力学建立在绝对时间和空间的理论基础上。何为“绝对”?即不论在何种环境之下,时间的流逝速率总是恒定的。
这种“绝对时空观”与人们的日常经验相契合,毕竟地球上的每个人所经历的时间似乎都是等速前进的(尽管严格来讲,存在些许差异,后文将展开讨论)。即便在古代传说中流传着“天上一日,地上一年”的神话,但在大众认知里,这不过是神话故事的情节设定,无人会将其当真。
牛顿的绝对时空观在物理界中占据主导地位长达数个世纪,直至19世纪末才遭遇挑战。
那时的物理界以为物理学大厦已经建成,未来只是修修补补的细活。物理学者因此自豪,仿佛他们已触摸到物理世界的终极真理。
然而,有两朵“乌云”仍旧漂浮在物理学的天空之中!
正是这两朵“乌云”之一,彻底颠覆了物理学界自认为已稳固的学术大厦,使其轰然倒塌。
这其中的一朵“乌云”,就是迈克尔逊-莫雷实验与“以太”之间的矛盾。那么,它们之间的矛盾究竟何在?
所谓的“以太”,通俗而言,可以视为牛顿绝对时空观中的“绝对参照系”,或者说“光速的参照系”
“以太”概念的提出,是为了调和牛顿经典力学与麦克斯韦方程组的冲突。这两者究竟有何冲突?
简单地说,牛顿经典力学以绝对时空观为根基,核心观点之一是“任何速度都是相对的,需有参照系才能定量”。这不难理解,比如我们日常提及的速度通常默认以地球为参照系。
然而,麦克斯韦方程组却为绝对时空观带来了冲击。这个被誉为“人类史上最伟大”的方程组,其核心思想是:光速与参照系无关,仅与真空中的磁导率和介电常数有关。
牛顿和麦克斯韦,都是物理界的泰斗人物,两者的理论犹如重磅炸弹般在物理界引起爆炸性效应,牛顿的经典力学已经深入人心,而麦克斯韦方程组的简洁美感也令人难以抗拒。
面对这样的困境,物理界采取了“左右逢源”的策略,提出了种种假设以调和两者间的矛盾。正是在这种背景下,“以太”的概念应运而生。
当时的物理学者认为,光速也需有参照系,那就是“以太”。以太是一种我们无法察觉的绝对参照系。
换句话说,以太的概念不过是一种假设。这种假设并无不妥,因为任何科学理论都始于假设,只要假设能经受不断的验证与考验,就是优秀的假设。
然而,“以太”概念提出不久,就出现了问题。人们总是对新生事物充满好奇与探求欲望。
迈克尔逊和莫雷便开始试图解开以太之谜,其探究过程简述如下:
按照“以太”理论,以太在宇宙的每一角落都存在且静止。因此,如果物体运动能够产生“以太风”,就像我们在无风的奔跑中,也会感受到风的存在。这使得我们可以测算出地球在宇宙中的绝对速度(相对以太而言)。
迈克尔逊和莫雷利用类似的方法,试图测算不同运动状态下的光速,以寻找以太的真相。但不管他们如何努力,得到的结果始终如冰冷的铁证:无论在何种运动状态下测量光速,得到的数值都是一致的,即30万公里每秒。
这样的结果,显然与理论相悖。只有两种解释:要么迈克尔逊-莫雷实验存在错误,测量有误;要么“以太”的概念根本错误,以太并不存在。
“以太”不存在?这对当时的物理界而言是无法接受的,因为这意味着绝对时空观的瓦解,长期以来的经典力学也显得不那么精确。这对物理界而言,无疑是沉重的打击,经典力学在其心中的地位根深蒂固!
在迈克尔逊-莫雷实验之后,众多物理学者纷纷进行类似实验,实验过程更为严谨精确。但结果始终未变:无论怎样测量,光速仿佛具有某种智能,始终保持不变,即30万公里每秒。
物理界陷入困境,迈克尔逊-莫雷实验与“以太”之间的不和如同卡在喉咙的苍蝇,令他们倍感不适。
关键时刻,爱因斯坦的革命性思维扭转了局面。他看到了问题的关键:既然实验本身无误,那么问题必然出在“以太”之上。而“以太”不过是一种假设,与实验相悖,不如摒弃,问题自然迎刃而解。
于是,爱因斯坦运用“奥卡姆剃刀”原则(这个原则在日常生活中也很实用,特别是在应对杠精时,值得大家学习),果断将“以太”概念剔除。
同时,爱因斯坦提出了新的假设,即“光速不变原理”:光速是恒定的,在任何参照系和运动状态下都保持不变。
牛顿的绝对时空观在爱因斯坦的革命性理论下崩塌,相对时空观应运而生。以“光速不变原理”为基石(另一基石是相对性原理),爱因斯坦构建了著名的狭义相对论。
光速不变原理与“以太”概念同为假设,但前者显然更具说服力,因其背后有坚实的实验支持,远超单纯假设。一开始,物理界对狭义相对论并不认可,但随着更多证据的出现,人们不得不承认其正确性。
狭义相对论为我们提供了全新的世界观和宇宙观,彻底颠覆了以往的绝对时空观。爱因斯坦进一步将“洛伦兹变换”整合进狭义相对论方程中,产生了光速极限、时间膨胀、尺度收缩、质量增加等现象。
速度(光速)与时间的关系,在此变得密不可分。原因何在?其实并不复杂。在牛顿的绝对时空观中,时间和空间都是固定的,光速(速度)会随着参照系的变化而变化。但在爱因斯坦的相对时空观中,光速是绝对不变的,这意味着时间与空间必须随着参照系而变化,以确保光速的不变性。
换言之,光速会根据你的运动状态变化,你快,光速就显得快;你慢,光速就显得慢。光速会根据你的运动状态相应调整。
更严谨地讲,光速不仅是速度,更代表了四维时空的内在性质,所有静质量为零的物质传播速度均为光速,包括信息传播速度,比如引力波和胶子的传播速度。
为了确保光速的不变性,时间和空间必须随之变化,由此产生了时间膨胀和尺度收缩现象,公式如下:
从公式中可以看出,速度越快,时间就越慢,无限接近光速时,时间几乎停滞。公式推导并不复杂(详见之前的文章:通俗讲解爱因斯坦的狭义相对论数学公式,上过初中就能看懂! 什么是时间神奇的事情正在发生时间膨胀的数学推导过程),一切都建立在光速不变原理的基础上,以往的文章已有说明,此处不再赘述,感兴趣的朋友可以自行探究。
狭义相对论的核心之一是“光速不变原理”,但不容忽视的是参照系的选择。许多人之所以难以接受相对论,就是由于在不断转换参照系的过程中迷失方向。
最后强调:
光速不变原理是假设
光速不变原理是假设
光速不变原理是假设
重要的事说三遍!一个假设性的东西,我们为何要信服?
我们确实有权不相信,并提出自己的假设。但正如“以太”这个假设概念一样,如果你的假设能解决经典力学与麦克斯韦方程组的冲突,更能符合实验观测,更能经受考验,你将比爱因斯坦更伟大!人们也会更信任你的假设。
但问题是,你、我、乃至所有人,都无法做到,起码目前还没有人能做到。
而且,假设越多,出错几率越大。任何一个假设都可能引发更多矛盾。这就像编织谎言,为了圆一个谎言,不得不编造更多谎言。所以,假设越少,出错几率就越小。爱因斯坦仅用两个假设(另一假设为相对性原理),就提出了狭义相对论!
因此,我们不妨心平气和地接受狭义相对论,而且过去一百多年来,越来越多的事实已经证明了这一理论的正确性,手机导航系统便是最佳例证。
非要拒绝相信相对论以彰显自己的“与众不同”吗?