相對論通俗科普系列：呼之欲出的狹義相對論—以太的否定

故事要追溯到牛頓力學。1687年，牛頓發表了《自然哲學原理》標誌著牛頓力學的基廈建立完成。我們中學所學的物理都是圍繞牛頓力學展開的。牛頓力學想必大家都很熟悉了，歸根結底就是牛頓三大運動定律外加一個萬有引力定律。我不用在這多贅述了，想必大家已經很了解了。

牛頓力學的絕對時空觀有一個很重要的推論就是速度疊加原理。簡單來說，你測量出和你相對或者相向而來物體運動速度是不一樣。這也就意味著在牛頓力學裡，任何物體都沒有絕對的速度，包括光速。簡單來說，你測量物體的速度或光速的具體數值在於你的運動方向朝向或遠離被測量物體，由此演變而來的數學形式是伽利略變換，這種常識思維其實是一種隱患。

牛頓力學還埋藏了另一個定時炸彈，這就是一種樸素的觀點：任何物體之間的作用都需要一個傳播的「中介」。比如你不可能隔空打牛，你要打牛就需要用木棍這樣的介質。牛頓雖然提出來萬有引力定律，但是他並不明白引力的本質。在牛頓力學中，引力貌似不需要「中介」就可以給其他物體施加外力，可牛頓力學並不允許脫離介質的超距作用出現！但是人們又找不到萬有引力作用的介質是什麼？比如太陽給地球施加了萬有引力，迫使地球繞其旋轉，但是地球和太陽之間除了電磁輻射，其絕大部分是真空的，這不就是超距作用嗎？難道太陽給予地球的作用力不需要介質嗎？

基於這種樸素的觀念，人們自然而然會提出來宇宙中到處都充滿著一種絕對靜止的介質，只不過人們暫時還沒找到這種介質罷了。科學家姑且把這種充滿宇宙的介質稱為「以太」。以太的概念來自亞里士多德的五種基本元素之一，笛卡爾則首次把以太引入到科學的範疇。

既然大家都已經認可了以太的存在，下一步就是尋找它存在的證據嘍！科學家們曾經提出許多驗證以太的實驗，但都沒有以下這個實驗出名。這就是阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷一起合作的實驗，此實驗也冠以他們的名字。既然以太這種介質充滿了宇宙，而且絕對靜止，我們就可以測量地球相對於「以太」的運動速度。實驗具體可以參考維基百科，這裡姑且不提及。但實驗的結果則讓人大吃一驚!

從1687年標誌著牛頓力學的建立，到1887年邁克爾遜—莫雷實驗的完成。整整200年過去了，人們原本以為真實存在的以太並沒有被實驗所證實，反倒被證偽了。

實驗結果就是：沒有以太。科學家疑惑：難道力的傳遞不需要介質而超越空間嗎？而且這個實驗還有一個重要的結論就是光速不變。不管你怎麼測量，光速就是不變的。

牛頓力學中的速度疊加原理和不允許出現的超距作用，瞬間就被邁克爾遜—莫雷實驗給踩個稀碎。問題到底出現在哪？ 洛倫茲和龐加萊都做出來了相應的思考。不過洛倫茲只是基於實驗結果建立起來了洛倫茲變換，他沒有膽量質疑牛頓力學的權威。

而龐加萊曾經思考這是不是由於時空的關係導致的，他把矛頭指向了人們想都不敢想的時間，難道時間並不是人們想像的那樣均勻而平滑地流逝嗎？ 但是龐加萊並沒有系統研究這個問題。

好了，《啟迪認識論》即日起開始科普相對論入門系列，系列分章節完成，文章盡量不牽扯公式，希望上過中學物理的讀者也能看懂。喜歡就訂閱吧！每日更新！

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