第一个原理:光速不变

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每当专利局的工作结束后,小爱总是不急于回家,而是坐在办公室,用自己写完的草稿纸卷起一根纸烟,点燃,深吸一口,往椅子上一靠,开始他的思考:

光为什么传播得那么快?因为它是一种电磁波;电磁波是怎么传播的呢?根据麦克斯韦那组漂亮的方程组可以看出来,振荡的磁场必然产生振荡的电场,而振荡的电场又必然产生振荡的磁场,如此循环下去就成了电磁波。那么,我是不是可以这样认为,电磁波的传播速度正是第一个“振荡”引起第二个“振荡”的反应速度呢?嗯,没错,这就好像一队人站成一排报数一样,听到一的人报二,听到二的人报三……光速其实就是这个报数的传递速度,它和我们常见的小球或者火车的运动速度显然有很大不同。火车从这里运动到那里,就是火车这个实体的位置从这里移动到了那里,但是电磁波,也就是光,它的传播速度其实是“每一个报数的人,他们的反应速度”,真空充当的就是这个报数人的角色,而交替变换的电、磁场就是报出去的这个“数”。

1865年,伟大的麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》中证明过,电磁波的传播速度只取决于传播介质。到了1890年,第一个在实验室里发现电磁波的天才赫兹也明确地指出,电磁波的波速与波源的运动速度无关。麦克斯韦的方程组实在是太美了,我深信蕴含如此深刻数学美的理论一定是正确的。

电磁波的速度和波源的运动速度无关,也就是光速和光源的运动速度无关,让我来想象一下这是什么概念。当我朝平静的湖中扔下一颗石子,不管我是垂直地从上空扔下去,还是斜着像打水漂一样地扔过去,这颗石子产生的涟漪都应该以相同的速度在水中扩散出去。

我可不可以做这样的一个思维实验:假设我现在一个人在黑漆漆的宇宙中飞行,虽然我飞得跟光一样快,但是因为没有任何参照物,我感觉不到自己的速度,就我自己的感觉而言和静止是一样的。这时候如果我身边有一束光,或者一个电磁波,我将看到什么呢?一束和我保持静止的光吗?一个静止的电磁波吗?也就是看到一个虽然在振荡的电磁场,但是它却不会交替感应下去吗?哦,不,这显然违背了麦克斯韦的方程组,波的速度和波源的运动速度无关,虽然我在以光速飞行,不论是我自己用发生装置发生一个电磁波,还是我飞过一个电磁波发生装置,我看到的电磁波都应该是相同的,因为介质没有变。我将看到一个振荡中的电场能够产生振荡的磁场,而一个振荡中的磁场又能够产生振荡的电场,这个交替反应绝不会停下来。再想象一下报数的情况,如果我和这队报数的人都在一节火车车厢中,火车高速行驶,但是我并不能感觉到火车是静止的还是运动着的,我会看到报数人的反应速度提高了吗?这也显然很荒谬,火车跑得再快也应该跟报数人的反应速度无关,我应该仍然看到它们以同样的反应速度传递着“一、二、三……”才对啊。

这么说来,光速应该相对于任何参照系来说,都是恒定不变的。哦,我这个想法实在有点疯狂,但是MM实验是怎么解释的呢?MM实验得出的最直接的结论不就是光速不变吗?为什么我们首先要把这个简单的结论复杂化,想出各种各样的理论和假设来否定光速不变呢?为什么我不先承认这个实验结果是正确的,然后再去考虑怎么解释这个结果呢?

要解释MM实验为什么测量不到以太的存在,无非就是下面两种思路:

第一种思路:

假设一:以太是存在的。

假设二:因为某种原因,无法检测出以太。

结果:我们没有在MM实验中检测到以太。

第二种思路:

假设一:以太是不存在的。

结果:我们没有在MM实验中检测到以太。

根据奥卡姆剃刀原理,第二种思路更有可能接近真相,它需要的假设更少。

想到这里,爱因斯坦手上纸烟的烟灰掉落在地上,瞬间碎成一片。爱因斯坦从沉思中回过神来,对刚才的思考感到满意,他想这个问题已经不止一天两天了。他拿起笔在草稿纸上写下一句话:光速与光源的运动无关,对于任何参考系来说,光在真空中的传播速度恒为c。写完他马上匆匆收拾东西回家,再不回去,老婆该冲他发火了。