聊聊狭义相对论-第5部分
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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一样，通过光学的和电学的经验我们可以得知无质的以太是存在的。”
“以太作为连续的物质充斥于凡是物质（或有质的物质）所没有占据的整个宇宙空间；它还充满物质原子中间的所有空隙。”
“以太象它所充斥的空间一样也是无限的，是不可测度的。”
再来看看以太和物质的差别：
以太：1、物态：以太态（即非气态、非液态、非固态）。2、结构：非原子的、连续的，但不是由离散的粒子（原子）所组成。3、主要功能：光、辐射热、电、磁。
物质：1、物态：非以太态（而是气态、液态或固态）。2、结构：原子的，非连续的，由极小的离散的粒子（原子）所组成。3、主要功能：重性、惯性、质量、热、化学作用。
（以上论述引自《宇宙之谜》，＇德＇恩斯特？海克尔 著 ，上海人民出版社，1974年版）
诸位，可以看得明白吗？应该还是相当容易看明白的，只要你认真、细心一点。这可是19世纪人们对以太的认识哟！我把它写出来的目的，就是希望能够对你认识以太起到一定的帮助。不太清楚也不要紧，下面还要说，以太一定要弄清楚，它曾经是物理学的光荣，现今又似有“翻身”之势。
牛顿又出来了，大家欢迎。
“女士们，先生们。我们都知道，声音得靠空气传播，其他的机械波也得有介质才可以传播，不是吗？依此类推，电磁波也得靠介质呀，是不是？那光靠什么呢？……以太！以太！我再强调一次，是以太！”（各位，掌声呀，快点……）
“是的，以太！打个比方说，声音相对于空气传播速度是340米每秒，但是，如果是相对于一个正在走动的人来说，就应该不是340了，是吧？没错，那个人太特殊了，你要是跟人家说声音相对正在行走的张三是330米每秒，那么不认识或者不知道张三的人就很难明白。但是，倘若你说是相对空气340，那么人家就很清楚了！为什么呢？为什么会这样呢？因为空气对于我们大家来说，都是比较绝对的，它不因人的意志去改变！”
“好的。回到电磁波，我们理所当然也得找个绝对的参考系，我希望再强调一次，是绝对的。哈哈，那么类似于声波，咱们就用它的传播介质以太就行了！”牛顿昂起头，挺起胸，大有“鄙视你”的气势。
“牛教授，这些我们都可以明白。可是，直到现在，那个以太是什么，我还有点模糊呀！”
“这位同学问得好，下面我们来说说以太是什么。”牛顿弄了一下他的头发，“我们还是打个比方来说明问题，想象在一个非常非常平静的湖中，湖水一动也不动，里面的鱼呀，虾呀，等等什么的，反正没有牛，它们在里面游来游去，但是我得假设，小鱼虾的游动并没有使得湖水有半点波动，反正就是水一点也不动。”
牛顿搔搔头皮，继续往下说：“好啦。现在湖水就是以太，而鱼虾就像我们的地球、太阳什么的。不过有些不同的是，不象湖水，以太是连续的，而不是由离散的原子组成；而且，它是坚固的刚体，也就是说它很硬，是不会流动的；但是它的密度几乎为零；最重要的是，它不会对在它中间运动的物体造成半点阻碍。它看不见，摸不着。从来不与这些物质发生过任何作用。”
“它还是绝对、绝对静止的！不会有半点运动。当我们说地球、太阳运动时，都可以相对它来说！而我们亲爱的电磁波小朋友就是通过它来传播，且相对它来说是速度c！”
牛顿的一片苦心，我想诸位应该可以比较深一点点地了解以太了吧？
牛顿的“以太”这条天梯就这样被他修建了起来，将两座大楼连接了起来。当时所有的人都不禁拍案叫好。“牛兄不愧为一代英才，实在了得。他日必将一统江湖，千秋万代！”
牛顿不知怎的，突然有一种不祥的感觉涌上心头……
好，接下来我们进行一些有用的讨论。希望各位可以从中有所收获。
前面我们已经看到，似乎牛顿力学和电磁理论有一点冲突、矛盾。电磁大军按兵不动，只是丢过来一句“所有电磁波的速度都是c！”，而一开始牛顿部队差点招架不住，还好牛将军力挽狂澜。牛将军最后还是想到了一个缓解矛盾的方法：给电磁大军的挑战加上一个前提条件——相对于以太这个绝对参考系。
没错，牛顿的解决方式是可以的，但是究竟能不能真正大化干戈，还得等待现实的判决。
我们面对一个问题，首先，得根据我们的经验、直觉做出一些假设。比方说，牛顿面对上面这一个冲突问题，就凭借自己的经验作出了“需要加一个前提条件”的假设。当然这个假设是不是正确的，还不清楚。但是，它提供了一个解决问题的方向。如果离开了假设，想去分析、解决问题，将会显得盲目、不知所措。
有了假设之后，我们就可以相当有目的地去寻找与这个假设相关的信息了。牛顿正是这样，从假设出发，他得去寻找一个合适的参考系。经过努力，他找到了“以太”这一个信息，从而进一步完善假设。
倘若假设已经全面、可行和完善了，接下来我们需要做的就是，从先前的假设出发，尽可能地推导出一些正确的结论（这里的“正确”指的是推导过程没有逻辑错误，而不是结论本身是否为真。）。再回到牛顿的例子，牛顿从假设出发，可以知道，如果让公交车外面的我来测那束光线的速度的话，那么我应该测得c＋10。
这便是“若p，则q”的形式。p是“电磁波相对以太才是c”和牛顿理论以及“公交车外面的我来测那束光线的速度”，q是“我测得c＋10”。（当然这里的表述是不太准确的。）
我们来学习两个自然科学哲学里面的一些结论。
若p为真，则q也为真。但（证据表明）q不真——那么p不真。（√）
这在逻辑叫做否定后件推理，在演绎上是有效的。（至于为什么是有效的我就不说了）
若p为真，则q也为真。（证据表明）q为真——那么p为真。（×）
这被称为肯定后件的谬论，它在逻辑上是无效的。（我也不说了）
诸位自己举一下例子，应该是很容易明白的。
这就给了我们一个检验假设是否真实的途径。只要我们去验证假设的推论就可能得知假设的真假性。假如通过实验，我真的测得c＋10的话，那么我就更加相信牛顿假设一点（但不能说它是正确的，因为这是肯定后件的谬论）；要是我测得的不是c＋10，那么我就可以理直气壮地鄙视牛顿，讥笑他是不正确的！
（对于上面的讨论，读者可以看一下美国的亨普尔所著的《自然科学的哲学》，英文名Philosophy of Natural Science；里面精彩的论述比比皆是。）
好了，现在假设有了，推论也在眼前了，接下来就是从实际出发了——做实验。这样我们就可以等着现实世界的判决了。
让我们还是再来回味一下牛顿处理问题的步骤：假设——寻找相关信息，完善假设——推论——实际验证——结论。
我想，这也是很多人处理事情的方法，而且经常在不经意中用到。但在这里，我希望大家可以比较理性、浅显地认识一下它背后的一些机制。
我们的下一个目标是，做实验验证牛顿的假设。不过，实验不由我们亲手把关，（哪来那么多经费呢？）我们将跟随两个名叫麦克尔孙和莫雷的帅哥去看看，实验将由他们来做……
诸位，下面我们将要亲自跟着麦克尔孙和莫雷去做一个伟大的实验。正是这个实验改变了物理学的历史，并将使得革命的思潮席卷大地。我们必须得小心翼翼，容不得半点差错，记住了吗？
我们来瞧瞧麦克尔孙。他1852年12月9日出生于普鲁士的史翠诺，也就是现今的波兰的史翠诺（Strzelno）。他是一个犹太商人的儿子，两岁时移民到美国去。事实证明，这是美国历史上一个里程碑式的移民。1869年，那一年，麦克尔孙17岁，他进入美国海军学院学习，开始在自然科学方面崭露头角。并于4年后走出大学的校门。在这期间，麦克尔孙深深沉醉于光速的问题中，并专心研究改进干涉仪。1887年，麦克尔孙和莫雷共同进行了流芳百世的麦克尔孙…莫雷实验。
1907年，是麦克尔孙人生中重要的一年。
1907年，是美国历史中重要的一年。
1907年，麦克尔孙因“发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究”（for his optical precision instruments and the spectroscopic and metrological investigations carried out with their aid）成为美国历史上第一位诺贝尔奖得主。
怎样？老大级人物吧？麦克尔孙好生厉害！下面我们就去会会他，走……（补充两句，麦克尔孙在1931年5月9日逝世于加利福尼亚的帕萨迪纳。月球上有一座环形山就是以他的名字命名。每当人们仰观月亮之时，不知会不会想起麦克尔孙呢？）
“欢迎你们！为了可以更好地做好这个实验，我得跟你们说说实验的原理，好吗？”麦克尔孙开门见山，直截了当。
“其实，上面有关我们需要验证什么已经说得相当清楚了。牛老前辈假设电磁波相对以太的速度是c，而在其他的参考系则有可能不是c！所以我们今天的目的就是要找一个不是c的参考系，并把那个速度测出来。不过，我们得作好准备，因为就算测出了这个速度，也并不能证明牛前辈真正是对的！别忘了什么是肯定后件的谬论！”（看来麦克尔孙还是牛顿的一个铁杆粉丝哟！）
“当然，我们并不准备选择在公交上进行。公交得给钱，咱们还是选择个免费的地方。况且公交的速度太慢了，根据我在1882年获得结果，光速应该是299，853公里每秒，也就是186，320英里。公交的速度跟这个相比，实在小得可以！换辆法拉利还说得过去，不过，我们还有更快一点的，”麦克尔孙脸上闪过一丝狡黠的笑容，“那就是……地球！”
“哦——”
“是的！地球！以太是绝对静止的，光通过它来传播、速度相对它就是c。而我们脚下的地球以每秒30公里的速度围绕太阳运转，那么照理说，至少，地球至少都应该相对以太有30公里每秒的运动速度。是吧？没问题吧？”
“哇！30公里呀！跟公交相比快多了吧！最重要的是——它还是免费的！好的。下面，小心听了哟！现在，我们就像乘着一艘以30公里每秒运动的潜水艇，在以太这片海洋中穿行！以太充满于整个没有物质的宇宙空间，那么，很明显，地球就处于以太的包围当中。这样上面那个比喻应该很容易明白吧？”麦克尔孙顿了一下。
“或者，再换个比喻方法。以太是空气，我们就像坐着30公里每秒的自行车在当中飞奔！没错，我们就会感觉到‘以太风’的迎面吹来，是吧？好的，接下来我们就尝试去测出这种以太风的效应。”
“海浪在海洋中以速度v运动，而我们的潜水艇以相对海洋a的速度与海浪相向而行。那么，我们在潜水艇上应该测得海浪的速度是v＋a，对吧？一束光在以太中以相对以太c的速度运动，而我们的地球以相对以太30公里每秒的速度与那束光相向而行，那么我们应该测得这束光的速度是c＋30是吧？”
“不过，真正要我们直接去测出这个c＋30的速度就太难了。想当年，1882年，老子测光速的时候，那是相当的难呀！简直BT，这个30甚至可以忽略不计呀老兄！”
“不过，我们还是有绝招的。上帝你有政策，我自然就有对策……”
莫雷一直没有出声，他清了清嗓子，沉着冷静地分析了一下我们的对策。其言和而色夷，好一个大将风采！
莫雷（1838…1923）是麦克尔孙的同事，也是美国人，是搞化学的，不过却在物理学上面留下了盛名（后来也被叫成了物理学家）。这跟物理学家卢瑟福有些相似。作为一个物理精英，卢瑟福却因研究元素衰变和放射化学方面的重要贡献，获得了1908年的诺贝尔化学奖。嘿嘿，这或许印证了中国的一句古话吧——“无心插柳柳成荫”。不过，这世界哪有那么多天上掉下的成功呢？科学上任一个成就的背后都是充满坎坷的呀！科学家获得他本行之外的正果，也算是老天的恩赐吧！天不负有心人，不是没有道理的啊！
OK！回到正题。
莫雷挥挥手，说道：“要击破一个难关，当我们明知一种途径是没有结果的，那么我们就应该‘曲线救国’！”
“比如说，我们现在要进去一间房子里面拿到一件宝物。可是，我们试了又试。结果发现那扇大门肯定是打不开的了。因为为了防止宝物被盗，他们的工作可是做足了，铁门一道，坚不可摧；不管是什么万能钥匙，都开不了那特制的金锁！那么，我们就不能再在这门上面花时间了，不是吗？”
“我们得寻找其他的可以进入房间的方法。它门厉害，那我们就爬窗呀！说不定窗是劣质产品。窗也弄不好的话，咱们就看看它的墙是不是可以很轻易就凿穿。墙也不行的话，挖地道也未尝不可呀！就算上面的都行不通，我们还可以从房间的管理人员中间入手——收买人心……”
“所以说，一条路不行，还有另一条道。这是处理问题的最佳信仰！好，现在我们既然知道直接测c＋30是不行的了，那我们就应该想其他方法。直接测，办不到……30是测不出来的……我们为什么一定要测出30来呢？不测不行吗？是的，切入点就在这里！我们不去直接测量一束光的那个30，我们用比较法！既然它是c＋30，那么我再找一个是c的，两个一对比，肯定有所不同！”
“比方说，从同一个出发点出发的两道光，假如能够使得一束是c，另一束为c＋30，那么它们走过相同的路程所用的时间一定是不同的。倘若可以再让它们回到出发点的话，我们就可以很轻易地进行比较了！……对！这样一定可以！别忘了
