恼人的速度问题

恼人的速度问题

那么爱因斯坦为何要质疑时间的概念呢？

这是由于伽利略运动学所遇到的一个令人惊讶的问题。我们之前提到过，伽利略运动学描述了自由物体的运动，这些物体没有受到任何相互作用的影响。因此这一运动只取决于这些物体的空间和时间特性！这就使得运动学表现为空间和时间的特性及它们之间的关系。

伽利略运动学（或牛顿运动学）有一个显著且众人皆知的特性：在该理论中，物体的速度是简单的叠加。例如你在一列以v₂速度前进的火车中以v₁的速度向前走，那么相对于铁轨来说，你前进的速度为v₁+v₂。这个理所当然的（a priori）现象，却成了一个决定性危机的问题核心。

的确，十九世纪的物理学家们慢慢发现光似乎没有遵守这一规则：它本应该与发出它的光源的速度叠加，可它却完全保持着匀速！这似乎是一个明显的谬误，却被阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷1887年的实验残酷地证实（参见后文卡片“没有以太”）。科学界于是被这样说服：光不遵守与物质相同的运动规则。但是，如果说运动学解释了空间与时间最基础的关系，那么如何解释这一不同呢？空间和时间最基础的特性怎么能够因为媒介是光还是物质这种不同而变化呢？这真是一个谜……

图1：迈克耳孙和莫雷实验

没有以太

十九世纪，物理学家们认为光要传播，需要一个占据整个空间的介质。他们把这种介质称为“以太”。光似乎是一种类似于波浪的波，而后者是有承载物的，那就是大海，以太之于光所扮演的角色就如大海之于波浪。但根据伽利略和牛顿的运动学，如果光在以太中传播，那么它的速度应该与其光源的速度叠加——如果其光源也在运动中。那么通过测量多个光的（直觉上来说不同的）速度，人们应该可以明显看到地球相对于以太的运动很明显：一束光按照地球的运动轨道传播，另一束从相反的方向或者垂直的方向传播。

1887年，美国物理学家迈克耳孙与莫雷使用了一台干涉仪（由迈克耳孙发明的一种非常精确的仪器）进行了这一实验。结果是否定的：无论光的传播方向为何，它总是有着相同的速度；没有任何“以太风”存在的征兆……

然而有些物理学家却从中看到了解决方法。二十世纪初期，乔治·菲茨杰拉德，亨德里克·洛伦兹和昂利·庞加莱分别提出了一个相同的公式，能够解决这个棘手的问题。它修改了速度构成的（运动学）规则：从此再不是简单的叠加，而是这一公式详细表述的新组成方式，而这一公式后来被称为“洛伦兹变换”。其价值在于它同时考虑到了物质和光的运动。

首先，如果相关物体的速度不是很快，那么结果就几乎与传统叠加规则相同。所有的“日常”物体就是如此，对于这些物体，伽利略的公式就已经足够精确。

但是，如果两个速度之一是c，即光在真空中的速度，那么结果则仍然是c；这就清楚地表述了光速是永恒不变的。而且这一公式意味着任何有形物体都不能达到c这一速度，所以后者成为了绝对极限。

新公式解决了既有问题。但它以一种奇怪的方式“混淆”了时间和空间的坐标。人们似乎很难将其与常见的空间和时间概念统一，而且它一直都十分神秘，直到1905年都没有任何说明……爱因斯坦于是明白了，对伽利略和牛顿使用的传统框架，需要提出很深程度的怀疑，特别是要抛弃绝对空间和绝对时间概念。稍晚一些，德国物理学家赫尔曼·闵可夫斯基引进了时空概念。而这一概念后来被当作运动学的变革，以及制定爱因斯坦狭义相对论最合适的框架。

光速前进

1676年，丹麦天文学家奥勒·罗默通过观察木星的卫星，首次发现光是以有限的速度传播的。当时没有任何迹象表明这一速度有什么特别。变化出现在十九世纪：首先是麦克斯韦了解到光是一种电磁现象。进而实验证明，光速并不与其他速度（例如有形物体的速度）叠加，它的速度总是完全不变的。

爱因斯坦通过他的狭义相对论理论对这一奇怪现象做出了解释：光以这一精确速度（记作c）传播的事实展示了时空的特性。而其他所有的光都应该以相同的速度c传播。物理学家们如今将之看作自然中最基础的常数，与其说它描述了光的特性，不如说是描述了时空的特性。

例如，我们习惯于说速度c大约是300 000千米/秒或300 000 000米/秒。但相对论将空间和时间放到了相同的次元。我们习惯于用不同度量测量时间（以秒计）和长度（以米计），让我们当这是“历史的偶然”吧！在爱因斯坦理论的框架中，对长度和时间长短使用同一单位是完全合理的。天文学家们也正是用光时或光年来表述距离。在这一使用同一单位的系统中，例如“光秒和秒”，则速度c的值简单地为1。对于物理学家们来说这一使用方式是很方便的（可以避免使用过大的数字），但是对于普通人的日常生活却并非如此。这也是为什么我们会使用米和秒；常数c只是这些单位之间的一个“转换因子”。

这些（自1983年开始）在定义长度单位时都被考虑到了：根据国际计量局的官方规定，长度的单位是秒，米作为衍生单位，被定义为等于1/299792458秒。我们只是需要一点点时间来习惯这个定义。