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上一讲我们说到，爱因斯坦发现，光速在任意坐标系下都是一样的。换句话说，不管你是在葛优躺，还是在超音速飞机上，或者是在接近光速的飞船上看一束光，不管从哪个角度，什么方向上看，光速永远都是一样的。 如果，你对这句话还不觉得太震撼，我再换个说法，如果你是在高速地运动，为了“使”你看到光速是一样的，你的时间会变慢。你感受不到任何的不同，但是你的时间和别人已经是完全不同的了。再换句话说，以前神话里说的天上一日，地上一年是可以确有其事的。 这是怎么回事，太违反我们的日常直觉了。这种想法，是怎么产生的呢，这一讲，我们来准本溯源，看看物理学家们是如何一步步发现这些结论的。 要说明白这个问题，我们得先放下爱因斯坦，讲讲另一个物理学界的大牛，英国物理学家，抱歉不是牛顿，是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。这个人，我感觉，在普通人里知名度一般般，物理学课里面讲到过，但是远没有牛顿，爱因斯坦有名，甚至不如近代的霍金，杨振宁。但要论在物理学家心目中的地位，麦克斯韦绝对是总统山级别的人物。甚至用原本就是物理学家的万维钢的话说，只是介绍一下他的这项工作，就能感到莫大的荣幸。 这项工作，就是大名鼎鼎的麦克斯韦方程组。这个方程组到底说了什么呢？这就要说到一点点电磁学的知识了。我保证，下列内容一点也不难懂，甚至感觉有点太小儿科了。 先来理解“电”的概念。电是电荷之间的相互作用。电荷就包括带负电的电子，带正电的离子等等。正电荷和负电荷同性相斥，异性相吸。 “磁”则是来源于电。电荷的运动产生磁。一段导体中有电流，他周围就有磁性。平时看到的磁铁，也就是里面的原子整齐地排列，然后周围电子的运动带来的磁力。 在电和磁中间，还有个过渡产物，叫做“场”。电荷之间的吸引力和排斥力并不是隔空感受到的，他有个中间的桥梁，那就是场。每个电荷周围都会产生“电场”，电荷并不直接和电荷发生相互作用，而是和电场相互作用。 同理，磁力也是通过磁场为媒介产生的。而所有的电场和磁场重叠在一起，就形成了一个总的电磁场，每个带电的物质，就根据自己和电磁场的关系，决定自己的运动方式。 总结完毕，就是这些了。 然后，大神麦克斯韦出场了。他大笔一挥，把*所有的*电磁现象用四个式子就完全描述了。他们无非就是—— 这是什么鬼画符，别急，我用人话翻译一下。 第一条说的是，电荷产生电场。第二条说的是，没有磁荷。第三条说的是变化的磁场能产生电场。第四条右边第一项也很简单：电流产生磁场。重点是后面的第二项。 麦克斯韦考虑到电和磁应该是有某种对偶关系的，也就是说，变化的磁场能产生电场，那变化的电场也应该能产生磁场。同时为了让式子两边的电荷数能守恒，就有了第四条右边第二项了。 后来，人们不断地用实验证明了这个理论的正确性。 于是，你可以看到，电和磁某种程度上是一回事，电可以产生磁，磁也可以产生电。于是我们可以弄一个线圈弄出一个周期震荡的电流，然后就可以电生磁，磁生电一直往下传播下去，这就是大名鼎鼎的“电磁波”。 然后，利用麦克斯韦方程组，可以直接计算电磁波[TM1] 的速度，发现和光速是一样的。于是，他大胆地宣称，光，就是电磁波。后来人们也确实证实了这个结论，光果然就是电磁波。 至此，一切都很完美，麦克斯韦也通过这个方程组一举成名，可是这和相对论有什么关系呢？关系就在刚刚说的计算出来的光速问题，上一讲我们说到，脱离参照系，谈论速度，那是在耍流氓。你要说速度，一定要有一个参照系，你说的是相对于谁的速度。而这里，你麦克斯韦算出来的光速，是*相对于*谁的呢？ 物理学家，一开始对这个问题，并没有觉得很棘手。他一定是相对于一个东西的嘛。虽然还不知道是个啥，但是，既然一定是存在的，我们先命个名吧，就叫做“以太”好了。于是之前那个问题解决了，光速是相对于以太的。 既然名字都起了，那总得研究一下，这个以太到底是个什么玩意了。而随着研究的深入，物理学家发现问题有点不太对劲，越研究脸越黑，我们来简要看看这个过程。 首先，以太肯定要是一个非常稀疏的物质，因为我们完全感觉不到嘛。但是，同时又必须非常坚硬。因为这时候，科学家已经知道，波的传播介质越坚硬，速度就越快。 又很稀疏，又很坚硬，这是什么鬼。 再然后，如果以太真的存在，那上一讲说的，匀速直线运动和静止没有区别，可就不对了。我们完全可以说，相对于以太的静止，就是绝对的静止。 再然后，回到上一讲的游轮思想实验，我们当时说，根据伽利略的相对论，你无法通过任何“力学”实验，判断自己是在运动还是静止。但是，如果以太存在，那你就可以通过一个“电磁学”实验，测量一下，光在不同方向上的速度。只要找到一个光速变慢的方向，那不就证明船是在运动的么。 我们的地球，就是这样一艘游轮，如果以太真的存在，而我们地球又是在不停公转，不可能是静止的。那么，一定可以找到一个方向，让光速稍微变大或者稍微变小。 而物理学家通过一系列精妙地设计，做出来实验的结果是：*地球上的光速，在所有方向上都是一样的*。 也就是说，你们科学家自己yy出来的这个什么以太，是，不存在的！ 于是，之前那个问题又回来了，那光速到底是相对于谁的？ 科学家证明以太不存在的实验，是1887年完成的。这一年，所有的物理学家都陷入了困惑，而解决这一问题的人，这一年只有8岁。 从小到大，我们都听长辈说，我们要学会适应这个世界，然而这个八岁的孩子，不是来适应世界的，他是来改变世界的。 预知后事如何，且听下回分解。 假如你喜欢本文，请点击右下角的“在看”予以支持。 |
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