聊聊狭义相对论-第4部分

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　哎呀！我们就要失业了！物理学已经无事可做了，该转哪行呢！哎——忙惯了，突然清净下来，还真有点不适应呢！　
　不是吧！我的儿呀！你竟然说要立志从事物理学工作？！有没有搞错呀！没出息的家伙！物理学已是巅峰了！还凑什么热闹？！　
　……　
　然而，事情真的能如物理学家们所愿吗？抬头看一眼天空，似乎，有一种不祥的感觉涌上心间。　
　牛顿大楼和麦克斯韦大楼固然宏伟，但是，时长日久，风吹雨打，铁打的也会有生锈的时候呀！难道，它们真的如此坚固吗？　
　经典物理学这座大厦表面上看起来固然金碧辉煌，但是却有一种脆弱的感觉，尤其是那条天梯，是那么的不协调，看起来，总让人感到不太舒服。似乎遥遥欲坠，一有风雨来临，就要……　
　它是美丽的，但却是脆弱的。　
　它有辉煌的时候，但也会有衰落的一天。　
　似乎，这是很多事物的生存和发展规律。　
　气氛似乎一下子凝重了起来，所有人都感觉到好像将有什么大事要发生。哎，管那么多干什么呢？新的世纪就要到了，还是好好庆祝一下吧！　
　好的，从15世纪一直跑到19世纪，相信诸位都疲惫了吧？眺望远方，正慢慢飘过来两朵小乌云。或许，它们也会引发暴风雨呢？谁又知道呢？　
　好，大家放下包袱，咱们到路边的旅店去休息一会儿，唱唱卡拉OK吧……　
　（接下来将是第二章　《一朵乌云引发的革命》）


第二章　《一朵乌云引发的革命》


好啦！好啦！赶快放好麦克风了！拿好行李，咱们该继续上路了！　
　上一章，我们说了经典物理学的成长历程。从哥白尼到伽利略，再到笛卡儿，之后还有牛顿大哥，恩，麦克斯韦也功不可磨哟，对了，还有热力学的那帮兄弟们，名字没记住多少个是吧？不要紧，呵呵，咱们重点要聊相对论，等你学习热力学了再来记也没问题！　
　是的，那时侯所有的物理学家都为经典物理学大厦赞不绝口。然而，后来的事实给他们当头一棒。这幢大厦表面上看起来非常雄伟美观，却是极其的不坚固。正如上一章的标题所云，是“脆弱”的！特别是那条天梯，注定要在一场暴风雨中坍塌，并引发了可怕的整幢大厦的毁灭。现在，它已经遥遥欲坠了……　
　1900年4月27日，特别的一天。　
　英国的伦敦市，特别的城市。　
　阿尔伯马尔街，特别的地方。　
　所有物理学家的目光都聚焦到了这里。此时，这里正举行一场世纪之交的物理学报告会。　
　在雷动的掌声中，一位白发苍苍、已是76岁高龄的老头走上了讲台，面对台下千万的听众，他清了请嗓子。　
　他就是开尔文勋爵。德高望重的他将要做一场题为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。　
　他谈道：“动力学理论断言，热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”　
　这两朵小小的、令人不安的乌云实在是太出名了！以致几乎每一本说到这个时期的物理学科普都会提到。这两朵小乌云，跟牛顿的苹果一样，是物理学舞台上的明星。其中一朵小乌云指的是黑体辐射的相关问题，它属于20世纪另一伟大理论——量子物理的范畴。在这里，就简单地介绍一下，太过详细诸位就要判我跑题了~0~　
　首先，我们先来解决什么是黑体的问题。还是很小的时候，我们就知道，我们之所以可以看到一个物体的颜色，是因为它反射了这种颜色的光进入我们的眼里。不错，红色的物体是由于其反射的红光进入了我们的眼睛，而白色，则是所有颜色的光都进了眼里，黑色呢，却是没有任何光走进眼睛，所以才看起来“黑黑的”。　
　黑体，便是这样的一个物体：它吸收了所有所有到达它表面的光线。这样说有点抽象，咱们来看一个近似的示例。想象一个不透明、里面是空腔的球体。好的，现在，我们在这个球上开一个小洞。于是，光就会从这里射进去；并且，光线在里面被来回反射，最后，几乎没有能够再从里面射出来的了。这样，当我们企图从小孔中一窥球内的世界时，由于几乎没有光线出来，就会看到黑乎乎的一片。这样小球就相当于一个黑体的模型了。　
　还有，任何一个物体，在任何的温度下，都会辐射出电磁波。这是由于分子、原子受到热激发而发射出来的。比如说，热热的阳光射到一个物体上，这个物体的分子、原子就会获得“热热”的太阳能，就会产生激发，便发出了热辐射，或者说电磁波。所以，黑体也会发出电磁波。对吧？没问题吧？黑体也是由分子、原子组成的嘛！再想想，那个“吸收了所有所有到达它表面的光线”跟这个不太一样喔！　
　我们还清楚，不同颜色的物体吸收光的本领是不同的。所以，在炎热的夏天，我们外出时，都会换上颜色浅一点的衣服；而冬天则相反。因此，深色较浅色能吸收更多能量。　
　而物理学家基尔霍夫告诉我们，在一样的温度下，吸收辐射强的家伙，发射辐射的能力也更劲些。恩，那当然是黑体那小子最拽了！　
　于是，人们就毫不犹豫地选择了黑体作为研究对象。人们很早就弄清楚了物体的辐射能量和温度之间的关系，那就是物体的辐射能量跟温度的四次方成正比，这是由斯特藩和玻尔兹曼共同的努力成果。　
　而且，从图象还可以知道，随着黑体温度的升高，物体的辐射能量和温度之间的关系曲线的峰值还向短波（或高频）的方向移动。那么，这些峰值跟波长有什么联系呢？这个问题问得好，要知道，正是这个问题引来了那朵小乌云。　
　在这个问题上，很多人进行了不懈的努力。其中，德国的维恩给出了一个效果不错的公式。然而，可笑的是，他的公式在较短的波长内与实验结果符合得相当好，在长波里却与实验严重不符。看来，这个公式得抛弃了。　
　另外，瑞利和金斯又给出了另一个公式，却也遇到和维恩公式同样的尴尬场面。瑞利——金斯公式，在长波范围内大唱凯歌，但是在短波阵地里溃不成军，甚至当波长趋于0的时候，还直逼无穷大。由于紫外线处于短波中，这中尴尬还被称为了“紫外灾难”。　
　看来，真够“黑色幽默”了。一个此优彼劣，一个此劣彼优。这就是“黑体辐射”这朵小乌云了。　
　那两个结合起来不就行了吗？嘿嘿，说起来容易，但要真用数学、物理来解决这个问题，还真很困难呢！N多科学家投身于其中，但都是“一去不复返”。最后，还是德国的一位精英解决了这个问题。他的名字叫做普朗克。　
　面对这个两难的局面，普朗克苦思冥想还是丈二和尚摸不着头脑。最后，他心一横，既然无法从一些物理假设出发，用数学推导出一个所以然来；那么我就不要物理假设基础了，管它呢，俺先弄个符合整个波长范围的公式出来再说！　
　结果还真就给他找到了。不过后来当他再去深思这个公式后面的意义之时，竟然找到了它的基础——能量是一份一份的，而不是之前所认为的连续的。于是，“量子”来到了人间。　
　好了，打住！该收笔了！咱们得去说我们最关心的另一朵小乌云，正是它带来了狭义相对论。不过，在这之前，我还得交代一下。　
　其实，量子理论可以说是物理学上最令人动容、迷茫的篇章。它的结论令人三思不得其解，往往与我们哲学观相悖。它的思维方式、解决问题的方法更是与我们之前完全相反。从它诞生到今天，关于它的讨论从来就没有停止过。而值得我们注意的是，作为20世纪物理学的一大支柱的它竟然与另一支柱——相对论相抗衡，两家的哲学观不太一致，甚至有一些是相反的，这两个家伙有着不可逾越的鸿沟。但是，它们却在自己管辖的领土内策马扬鞭，大放异彩，绝对没有第二家可以替代。　
　如何在这两者之间搭起桥梁，是物理学的一大目标。　
　在这里，还是让我们先来体会相对论的“君威”……

上回说到，第一朵小乌云是量子物理学中“黑体辐射”——或者叫“紫外灾难”——的相关问题。它的散去带来了20世纪物理学的一大革命，催生了量子物理学。并且深深影响我们至今，从VCD到DVD，从手机到电脑，从化学到核能……无不需要量子物理学。　
　而开尔文所说的另一朵小乌云则指的是一个实验——麦克尔孙…莫雷实验，它是由麦克尔孙和莫雷两位物理学家作出的，涉及的是光速的问题，并且引发了20世纪物理学的另一场革命。　
　这个实验将是我们这一章的主线。我们将要用一章的篇幅来细细品位它，同时，我还希望诸位能够从中体味一下物理学中那引人入胜的矛盾冲突和解决问题的方法。可以说，物理学中很多处理问题的方法是与我们的生活相通的，我们学习物理，并不一定要学习多少高深的理论知识，其实我们只要可以从中吸收到一些严谨、科学的处理问题的方式和世界观，并把它运用到现实生活中去，冷静处理生活问题，泰然看待世界一切，才是我们普通人学习物理的真正意义所在，同时还是物理学最伟大的地方。　
　我永远这么认为。　
　好，言归正传。　
　各位请不要着急，且听我慢慢道来。　
　还记得伽利略相对性原理吗？就是前面谈及伽利略时所说到的那个，也便是换了一个很通俗的说法去说它的那个。恩，我还是把它再写一遍，你试试能不能还明白它的内容。　
　所谓伽利略相对性原理，即　
　力学定律在任何惯性系中都是相同的。　
　我们所熟悉的力学现象或者说是实验，只要是在匀速直线运动或静止的参考系中都是等价的。　
　其实，伽利略相对性原理还有一个数学表达式与之对应，叫做伽利略变换，在这里我们就不去谈及那些数学式子了（在接下来的文章中，我都尽量避免数学式子，不过我会说到不少的数学思想，我想，思想比式子更能带给一个人生活的指导，希望我可以做到^_^）。　
　既然力学的现象在惯性系（即匀速直线运动或静止的参考系）中都是等价的，那么，很明显牛顿大厦的所有部件也应该在所有的惯性系中是一样的。这便是说牛顿力学的所有现象在惯性系中都应该是一样的。　
　如果用数学式子来实现这一操作的话，就是将牛顿方程放进伽利略变换式中进行变换，方程的形式将保持不变。　
　好了，现在我们做个思想实验。想象一下：一辆公交车以10米每秒的速度在路上直线匀速行使，而车里面有一位乘客从车尾以5米每秒的速度向前面直线匀速走去，准备下车。恩，现在你坐在车上不动，而我静静站在外边的路上等车。　
　于是我说：“喂，我看到那个乘客的速度是15米每秒！你呢？”　
　你怎样回答？应该是这样吧——　
　“不是吧？！那么拽！我只看到他是5米每秒喔！！”　
　没问题吧？没有异议是吧？应该是很容易明白的！　
　我们两个都是惯性系，但是所得到的结果却不太一样。事实上，只要用伽利略变换式一变，就能从我的结果推出你的结果，当然，也能将你的换成我的。神奇吧？　
　你也许会嘟囔，不是说力学现象都应该是等价的吗？怎么一个是15，一个却是5呢？其实呀，最准确的表达应该是“牛顿定律或方程的形式在所有的惯性系中都是一样的”，而不是具体的某个结果。对，是方程一样！也就是说，在你的惯性系中，牛顿第二定律是F=ma，在我的也是，它们是一样的。而具体结果可以通过变换互相得到。　
　没有问题了吧？！　
　看过了牛顿大楼，我们再转到麦克斯韦大楼去瞧瞧。　
　看！大楼的进口处雕刻着“电磁波的速度都是光速c！”。这可是麦爷留下的至理名言！　
　好了，我们把上面的公交车实验改动一下。公交还是不变，你还是你，不动；行行行，为了公平起见，我也不动；不过，那个乘客太不懂事了，换一下，……就换成一束光吧。（这样也行？！亏你想得出来！）　
光可是以光速c运动哟！好，你抢先喊道：“我看到是c！这回看你死不死！”　
　“嘿嘿！不好意思！我看到是c＋10！”　
　……　
　不错！我的牛顿力学学得还是很不错的，这可是完全从牛顿的角度来思考问题，绝对没有问题！　
　可是，麦爷不是说了吗？电磁波都是c呀？你怎么看到是c＋10了？　
　你真聪明！不只你，牛顿也被这个问题一下子难住了。牛顿想，看来两座大楼得修个天梯什么的连接起来才行。这么松散（竟然用牛顿理论得到c＋10，而麦爷的是c！），怎么连成一座辉煌的大厦呢？……有了！麦兄说都是c，嘿嘿，肯定是相对哪一个惯性系来说的！要是换了其他的惯性系就不是c了。就像平时我们所说的公交是10米每秒的速度，这个速度是相对地面来说的。恩，一定是这样！要不然，这大楼肯定连不起来！可是，这个惯性系是什么呢？……　
　选你？不行，那你看外面的光不就不是c了吗？那……选我就更不用说了，是吧？　
　还是牛顿厉害！他弄了个“以太”出来，完美地解决了这个问题。好了，打一下盹，后面再说……


牛顿为了使得麦克斯韦的电磁理论能够与他的定律相容，不得不四处奔波，寻找一个他想要的惯性参考系。这样做的理由也是相当的明了的，麦克斯韦说电磁波的传播速度都是光速c，而如果站在牛顿的立场上看，在某些参考系竟然会出现c＋10的惊人结果。我们的第一感觉就是，与平时的说法一样，应该给麦克斯韦的说法加上个前提条件。比如说，它是相对某一个确定的参考系来说的，要是换了其他的没那么拽的参考系之后，就不再是c了！　
　“麦兄，我想你得这样说——相对于XX参考系来说，所有电磁波的速度都是c！”牛顿笑道。　
　“至于那个XX，我已经想好了，它就是——以太！”牛顿突然声音大了起来。　
　说到以太，我们先来看看一些比较学术性的论述。　
　“正如我们通过质量和重量即通过化学和力学的实验可以确信有质物质的实在性