追光少年十六岁

爱因斯坦与光速的故事...



光，是大自然展示给人类的最古老的现象之一，但也是延续几千年，至今尚未完全破解的物理之谜。

与光传播有关的问题，从少年时代就困惑着爱因斯坦。1895年，16岁的爱因斯坦踏进了中学的大门。那时候，法拉第和麦克斯韦都早已仙逝，但他们有关光和电磁波的理论却深入到了爱因斯坦的心里。

这个16岁少年的脑海中经常琢磨着一个深奥的“追光”问题，用现代物理学的语言来说，爱因斯坦想象了一个如下的思想实验:光是一种电磁波，以大约300000km/s的速度向前“跑”，那么如果我以和光相同的速度去追赶一束光，将会看见什么情景呢?



根据麦克斯韦理论，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，如此循环往复下去，便产生了电磁波，或者说产生了光。但是，少年爱因斯坦想，如果我的速度和光一样快的话，我看到的应该是一个静止而不是变化的电场(或磁场)。那么，没有了变化的电场，便不会产生变化的磁场(或电场)，便产生不了光，便没有了光。光怎么会因为我追着它跑就消失了呢?所以，爱因斯坦认为，这个“追光”的思想实验是一个不可能发生的悖论。也就是说观察者不可能以和光线一样的速度运动!

10年的时光很快就过去了，16岁的中学生已经大学毕业，并且成了专利局的一名普通小职员。但是，“光”给他带来的困惑，在脑海中一直挥之不去。这位专利局小职员在思考着物理学的大问题，也注意到了与光的传播理论相关的实验。



其中，法拉第和麦克斯韦建立的经典电磁理论将光解释为一种在以太中传播的电磁波。

而根据伽利略的相对性原理，物理规律应该在伽利略变换下保持不变，牛顿的经典力学满足这点，但麦克斯韦的电磁理论却不具有这种协变性。麦克斯韦方程只在一个特别的、绝对的惯性参考系中才能成立，这就是被称之为“以太”的参考系。如果假设存在一个“以太”参考系，那么，在相对于以太运动的参考系中，就应该能够探测到“以太风”的效应。

“迈克耳孙一莫雷实验”便是为了观测“以太风”而进行的。然而，这个实验却得到了一个“零结果”，就是说没有探测到任何地球相对于以太运动所引起的光速的变化。

为了调解电磁理论与相对性原理的矛盾，荷兰物理学家洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz,1853-1928年)在仍然承认以太的前提下，对伽利略变换进行了修正。他在相对于以太运动的伽利略变换中加上了一个在运动方向的长度上的收缩效应。这样做的结果，正好抵消了原来设想的相对于以太不同方向上运动而产生的光速差异。如此一来，洛伦兹用他的新变换公式(洛伦兹变换)，轻而易举地解释了迈克耳孙一莫雷实验的零结果。

爱因斯坦看中了洛伦兹变换，却认为应该赋予它更为合理的物理解释。
爱因斯坦摒弃了以太的概念，因为它与相对性原理不相容。爱因斯坦从物理本质上重新考虑了时间和空间的定义，发现不假设以太的存在时仍然能够得到洛伦兹变换。最后，爱因斯坦用没有以太的洛伦兹变换统一了时间和空间，用狭义相对论统一了相对性原理和麦克斯韦方程。这是物理理论统一路上的重要一步。

狭义相对论基于两个基本原理:一个是相对性原理，另一个是光速不变原理。认为光速在真空中的数值对任何惯性坐标系都是一样的，并且，光速是宇宙中传递能量和信息的最大速度，质量不为零的任何物体的速度只能无限接近光速，不能达到或超过光速。

这个结论，是爱因斯坦从16岁开始就暗暗认识到并且深藏于心的物理规律！

整理节选自《爱因斯坦与万物之理：统一路上的人和事》，购书请戳“阅读原文”。

部分图片来源网络，如有侵权请联系删除。

    关注 原点阅读