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聊聊狭义相对论-第7章

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,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
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