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聊聊狭义相对论-第8章

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 “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!光是波,波如果存在相位差的话,就可能发生干涉,有干涉就会有明暗条纹。(这个,诸位理解起来应该没有问题吧?中学的光学内容,已经还给了老师的话,赶快回去复习一下^_^)那么……我们只需要看看有没有条纹,不就可以得到结论了吗?” 
 不错,麦克尔孙和莫雷的实验的原理正是这样。按照他们的设想(当然是站在牛顿的立场上),我们将会清晰地看到干涉条纹。是不是真的能够如愿呢?我们赶快跟去看看。 
 麦克尔孙和莫雷的操作是这样的。在一块比较坚固的底座上,先放上一个光源S、一块一面镀了银的玻璃板G和两块普通镜子M1、M2。如图所示(课本的标准用语,有没有经典的味道?),地球沿M2的方向以v(30公里每秒)的速度在“以太风”中“穿行”。 玻璃板G镀了银的那一面有这么一种功能,它能够将射到它表面上的光分成两束,一束被反射,另一束则可以顺利通过(熟悉量子力学的朋友一定会发现,这有点像惠勒的延迟实验里面的那块镜子!),怎样?神奇吧? 
 “这是千真万确的!”麦克尔孙和莫雷异口同声道。 
 而普通镜子的作用主要是反射到达它们表面的光线,使得那些光反方向射回去。补充两句,玻璃块G成45度倾斜放置,为的是可以将光源射过来的光一部分垂直反射到镜子M2上,另一部分折射到M1上;而两面镜子到G的距离均为L。 
 此次实验的原理就如莫雷上面的分析,但是实际操作起来,有一点点的不同。M2那束开始以c+v从G射出去的光,由于经过镜子反射回来,速度会变为c…v(因为之后它与地球相向而行嘛!)。而M1那束光由于是与地球的运动方向垂直的,没有受到影响,在我们看来依旧是c!不过,这两路的时间依旧是有差别的。 
 “明白了吗?再给你们一个喘息的机会,好好再理解一下上面那‘乏味’的描述……明白了是吧?那我们就去迎接那振奋人心的一刻了喔!”麦克尔孙微笑道(何等的自信!)。 
 莫雷打开光源。 
 一束耀眼的“精灵”从灯丝上争先恐后地冲出来,它们是如此的兴奋,仿佛要去执行什么很重要的任务。 
 光亮光亮的光线射到镀银的玻璃上后,默契地分成了两队。一队冲着M1狂奔……另一队也不甘示弱,加足马力,蜂拥进军…… 
 撞到镜子上后,光线叽叽喳喳也没有休息,掉头就跑…… 
 是谁快一点呢? 
 M1那道?还是M2那队?或者一样快? 
 谁也看不清楚!或许是光太快了;或许是我们的心情太激动了…… 
 看!麦克尔孙和莫雷的脸上似乎有丝丝笑意。 
 哦,我感觉到是M1的快一点!哈哈!人们即将就会看到牛家武功盖世。问苍天,谁主沉浮?还看今朝! 
 光线已经又一次聚集回到玻璃G上,重新整合成一支大军。浩浩荡荡,大有要把历史都踩在脚下之势。 
 呵呵!问苍天,谁主沉浮?惟我至尊!谁与争锋? 
 光并没有放慢脚步,直冲正在T处观察的莫雷。 
 干涉条纹!有?没有? 
 即将揭晓!是牛顿的胜利?是牛顿的下野? 
 天知道!该来的迟早要来!来吧!来吧!猛烈地来吧!


滚滚长江东逝水,浪花淘尽英雄。是非成败转头空:青山依旧在,几度夕阳红。 
 白发渔樵江渚上,惯看秋月春风。一壶浊酒喜相逢:古今多少事,都付笑谈中。 
 光线吟唱着,马不停蹄,飞奔向前。 
 此时,不知怎的,外面风云突变,乌云密布,山雨欲来风满楼。 
 也好,暗一些,容易观察。感谢上帝。 
 光一头扎进了莫雷的观察镜头中,二话不说,一片寂静。 
 或许,此时无声胜有声。 
 镜头上,没有干涉条纹! 
 “没有条纹!是不是装置哪里出了问题,老兄!”莫雷喊道。 
 “我来看一下,我说兄弟,你太兴奋了吧!竟然激动到看不见了……”麦克尔孙凑了过来。 
 “没理由呀!怎么会没有呢?赶快检查一下装置……”麦克尔孙脸上的笑容顿时消失。 
 “你们来看看!有没有?有没有?你说……” 
 板上钉钉,没有! 
 …… 
 一番检查后,拆了又装,装了又拆,无论怎么着,依旧没有干涉条纹! 
 一道闪电,雷声轰隆。 
 麦克尔孙和莫雷面如土灰。“不可能……不可能……一定可以看到的!一定是我们忽略了什么!一定是我们搞错了什么!……” 
 “一定是……一定是……噢,一定是地球绕太阳转动时,以太风的方向发生了变化,所以才看不到!一定是这样!”麦克尔孙欣喜若狂。 
 于是,他们决定在一年的不同时间继续重复这个实验,他们相信一定会看到条纹的。这也不是没有道理呀!可能,我们刚刚做实验的时候,刚好地球转动,以太风的方向改变了,不是M2的方向,造成两束光的速度没有了差别,时间一样了,那么自然就看不到条纹了。 
 但是,结果还是令人失望。不管麦克尔孙和莫雷怎么努力,在哪个时间不断观察,怎样换地点,如何变换角度,依旧没有看到条纹! 
 怪事!怪事!咄咄怪事!实际怎么会跟牛顿的预言不同?! 
 此事很快在物理学界传开了,掀起了轩然大波。测定了电子电荷量的诺贝尔奖得主密立根这样说道:“不合道理的、看上去无法解释的实验事实……” 
 难道是实验精度出了问题?30太小了,观察不到?没有,麦克尔孙和莫雷的实验确实可以达到这个精度,毋庸置疑。 
 所有的人都陷入了沉思中,百思不得其解。所以,在新世纪到来之际,开尔文勋爵把这个实验所遇到的无法解释的问题比作一朵乌云,一朵漂浮在物理学上空的挥之不去的小乌云。但是,没想到开尔文一语成谶,将来,乌云还真的带来了倾盆大雨,引发了一场大革命。 
 其实,在麦克尔孙和莫雷之后的50年中不断有人重复这一实验,但依旧没有看到所想要的结果。在1958年,甚至有人用微波代替光源的光来做该实验,其精度是麦克尔孙和莫雷的50多倍,却还是没有测量到以太风的影响。 
 回顾一下,我们为什么要做这个实验呢?先是牛顿有了假设,假设电磁波的速度仅相对以太而言方是c。之后,得到推论,在某些参照系中,可能会测得电磁波的速度不是c。再后来,我们学习了否定后件推理和肯定后件谬论,知道该怎样去证明牛顿是不是对的。所以,麦克尔孙和莫雷设计了这个实验,并进行了实验。 
 那么,很明显,实验结果表明这是个否定后件推理,只要一出现这种情况,即可证明牛顿的假设是有问题的。看来牛顿的天梯建得不太合理。 
那问题出在哪里呢? 
 接下来让我们当一回福尔摩斯,来找出问题的根源。好了,跟麦克尔孙和莫雷说再见吧,他们还苦着脸呢…… 
 首先,我们可以肯定的是,我们不能怀疑我们一直以来的逻辑推理本身,如果我们认为是逻辑推理本身有问题的话,那么所有的科学都不成立了,因为科学就是建立在逻辑推理的基础上的。如果p,那么就可以推出q,这个“推出”过程是应该是没有问题的。况且,要是这个“推出”,也就是逻辑本身有问题的话,那么我们福尔摩斯式的推理也就没有意义了。甚至可以说“因为逻辑本身有问题,所以才得不到干涉条纹”这样的解释都是没有意义的,因为它本身又用到了逻辑推理! 
 是的,首先得排除这种可能。


一路走来,说到现在。在这里,我必须停下来交代几句。对上面所聊到的麦克尔孙…莫雷实验,还有接下来将要说到的实验,为了便于理解,其实都已经做了一些简化。不过,其基本原理依旧保持不变。所以,诸位把它们当作一种消遣的读物来读便罢,而不应认为这些实验就仅仅是如此,更不能就此认为你已经完全掌握了它们。事实上,所有的科普也都几乎只能做到这一点,要是非常深入地去讲解的话,恐怕就要成为一本大学教材了。如果你并不准备为物理学献身,而仅仅是对它有兴趣的话,那么恭喜你,你只要了解了我所说的原理,那也算是这一群体中的精英了。倘若你立志要在物理学上大干一场的话,那么也恭喜你,你将会在大学里跟随你的导师极其深入地去研究这些问题,加深你现在的认识! 
 物理学的数学化在所有学科中(当然除了数学)是顶呱呱的,物理学发展至今,已是深深根植于数学,几乎所有的物理学理论都要用数学来描述,方可清晰、简洁和明
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