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第一個原理:光速不變

每當專利局的工作結束後,小愛總是不急於回家,而是坐在辦公室,用自己寫完的草稿紙捲起一根紙煙,點燃,深吸一口,往椅子上一靠,開始他的思考:

光為什麼傳播得那麼快?因為它是一種電磁波;電磁波是怎麼傳播的呢?根據麥克斯韋那組漂亮的方程組可以看出來,振蕩的磁場必然產生振蕩的電場,而振蕩的電場又必然產生振蕩的磁場,如此循環下去就成了電磁波。那麼,我是不是可以這樣認為,電磁波的傳播速度正是第一個「振蕩」引起第二個「振蕩」的反應速度呢?嗯,沒錯,這就好像一隊人站成一排報數一樣,聽到一的人報二,聽到二的人報三……光速其實就是這個報數的傳遞速度,它和我們常見的小球或者火車的運動速度顯然有很大不同。火車從這裡運動到那裡,就是火車這個實體的位置從這裡移動到了那裡,但是電磁波,也就是光,它的傳播速度其實是「每一個報數的人,他們的反應速度」,真空充當的就是這個報數人的角色,而交替變換的電、磁場就是報出去的這個「數」。

1865年,偉大的麥克斯韋在《電磁場的動力學理論》中證明過,電磁波的傳播速度只取決於傳播介質。到了1890年,第一個在實驗室裡發現電磁波的天才赫茲也明確地指出,電磁波的波速與波源的運動速度無關。麥克斯韋的方程組實在是太美了,我深信蘊含如此深刻數學美的理論一定是正確的。

電磁波的速度和波源的運動速度無關,也就是光速和光源的運動速度無關,讓我來想像一下這是什麼概念。當我朝平靜的湖中扔下一顆石子,不管我是垂直地從上空扔下去,還是斜著像打水漂一樣地扔過去,這顆石子產生的漣漪都應該以相同的速度在水中擴散出去。

我可不可以做這樣的一個思維實驗:假設我現在一個人在黑漆漆的宇宙中飛行,雖然我飛得跟光一樣快,但是因為沒有任何參照物,我感覺不到自己的速度,就我自己的感覺而言和靜止是一樣的。這時候如果我身邊有一束光,或者一個電磁波,我將看到什麼呢?一束和我保持靜止的光嗎?一個靜止的電磁波嗎?也就是看到一個雖然在振蕩的電磁場,但是它卻不會交替感應下去嗎?哦,不,這顯然違背了麥克斯韋的方程組,波的速度和波源的運動速度無關,雖然我在以光速飛行,不論是我自己用發生裝置發生一個電磁波,還是我飛過一個電磁波發生裝置,我看到的電磁波都應該是相同的,因為介質沒有變。我將看到一個振蕩中的電場能夠產生振蕩的磁場,而一個振蕩中的磁場又能夠產生振蕩的電場,這個交替反應絕不會停下來。再想像一下報數的情況,如果我和這隊報數的人都在一節火車車廂中,火車高速行駛,但是我並不能感覺到火車是靜止的還是運動著的,我會看到報數人的反應速度提高了嗎?這也顯然很荒謬,火車跑得再快也應該跟報數人的反應速度無關,我應該仍然看到它們以同樣的反應速度傳遞著「一、二、三……」才對啊。

這麼說來,光速應該相對於任何參照系來說,都是恆定不變的。哦,我這個想法實在有點瘋狂,但是MM實驗是怎麼解釋的呢?MM實驗得出的最直接的結論不就是光速不變嗎?為什麼我們首先要把這個簡單的結論複雜化,想出各種各樣的理論和假設來否定光速不變呢?為什麼我不先承認這個實驗結果是正確的,然後再去考慮怎麼解釋這個結果呢?

要解釋MM實驗為什麼測量不到以太的存在,無非就是下面兩種思路:

第一種思路:

假設一:以太是存在的。

假設二:因為某種原因,無法檢測出以太。

結果:我們沒有在MM實驗中檢測到以太。

第二種思路:

假設一:以太是不存在的。

結果:我們沒有在MM實驗中檢測到以太。

根據奧卡姆剃刀原理,第二種思路更有可能接近真相,它需要的假設更少。

想到這裡,愛因斯坦手上紙煙的煙灰掉落在地上,瞬間碎成一片。愛因斯坦從沉思中回過神來,對剛才的思考感到滿意,他想這個問題已經不止一天兩天了。他拿起筆在草稿紙上寫下一句話:光速與光源的運動無關,對於任何參考系來說,光在真空中的傳播速度恆為c。寫完他馬上匆匆收拾東西回家,再不回去,老婆該衝他發火了。