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追光少年完美逆袭,刚出道的相对论终结几百年的以太论(上)

以太,这个名词对于现在的人们可能比较陌生。但是在19世纪,以太学可是炙手可热的学问。如果找到了以太,光的波动说就能完全战胜光的微粒说。

这还得从持续几百年的波粒大战说起。在以前人们并不清楚光的本质是什么。

18世纪大名鼎鼎的牛顿发表了著作《光学》后,人们普遍认为光是一种微粒。微粒说统治了学界百年之久。

19世纪初托马斯·杨做了闻名后世的双缝干涉实验,这个实验说明光是一种波,托马斯·杨发表了自己的观点,可是波动说在牛顿的微粒说面前显然是渺小的,不管托马斯·杨怎么努力,世人依然不认可波动说。真正使波动说绝地反击的是麦克斯韦,他那精美的方程组推导出了一个新概念——电磁波。在人们对电磁波的研究中发现光和电磁波惊人地相似。光极有可能就是特殊的电磁波。

至此,波动学派完全占了上风。只要找出本文开头提到的以太。波动学说将取得完胜。为什么以太如此重要,让学界苦苦寻找了百多年。那是因为它是光传播的介质。就像水波传播需要在水里,声音(波)传播需要空气,在太空中没有空气所以我们就无法听见声响。以太就是这最关键的传播介质。

人们为了找到以太,可谓是煞费苦心,各种各样的实验层出不穷。

当时学界认为,如果地球是以每秒30公里的速度围绕太阳转动。当地球迎着以太风运动和背向以太风运动时,光速应该是不一样的。就像我们在顺风奔跑和逆风奔跑时,会感受到明显的速度变化。

1887年,两个雄心勃勃的青年,迈克尔逊和莫雷带上特制的干涉仪器,准备测出这个速度差,这也间接证明了以太的存在。可是当结果出来,两个人都大跌眼镜。无论他们怎么调整仪器、更换实验场地,实验得出的差值都是零。这意味着光在面向以太风或背向以太风速度是一样的。这太不可思议了。

迈克尔逊和莫雷发表了自己的实验结果,结论竟预示着以太不存在。为了挽救以太学说,学界权威又开始为以太打补丁了。为了使差值零看起来合理,学界提出了“收缩假说”——我们的地球在以太风中运动,竟被缩小了。

“这又是什么荒唐的想法,奇谈怪论,为什么就不以事实为基础呢?”在瑞士伯尔尼专利局任技术员的爱因斯坦不高兴地把一件来申报专利的发明否决掉了。在这件专利的申报表上赫然写着:“某某永动机,请贵局予以核准,下发专利证书。”

1903年,爱因斯坦终于结束了大学毕业后,找不到工作的落魄生活。他此时已是伯尔尼专利局的正式技术员,生活基本稳定,在闲暇之余他仍坚持自己的物理研究,和当时许多学者一样,对光的本质乃至以太论都充满疑惑。

一天,爱因斯坦完成了手头的工作。像往常一样,思考着自己热爱的物理学。那个从16岁开始就困扰着他的问题又浮现在脑海里。如果我可以跑得和光一样快,会看见什么景象呢?

若是我的身后是英国的大本钟,现在钟上指针正好指向12点。我用光速向前狂奔时,由于和大本钟射来的光线速度一致,我回望大本钟时,钟上的指针应该仍停留在12点的位置。好像时间静止了,可是时间静止这和常理是违背的呀,那时间到底是不是绝对的呢?

越来越多的矛盾不仅在爱因斯坦的脑海里出现,在当时社会上也有越来越多的学者认识到想要解决“光”的问题,必须要一套全新的理论……

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