光速恒定不变,无论你身处哪一个角落的宇宙,它都以同样的速度飞驰。关于这一点,难道没有疑问吗?
简单地说吧:没有答案!光速就是这般行事,或者我们可以将此现象视作一个先验条件,科学家们所观察到的光速始终未变,因此将其定为不变。仅此而已,并无其他深意。
让我们三遍重复这个重点,因为重要的事情值得一再强调:
光速不变原理仅是一种假设!
光速不变原理仅是一种假设!
光速不变原理仅是一种假设!
由于是假设,我们无需探寻其理由,它可以被视为一条公理,无须证实。想象一下,假如你现在是一个女性,你会如何选择伴侣?
有人或许会说:“这种假设并不正确,我明明是男性,怎会变成女性?”这便陷入了无意义的争辩中。正如我之前所说,假设之事无对错之分,只在于你的接受与否,无论你持何种态度,都是无可厚非的。你甚至可以提出自己的假设来取代“光速不变原理”,这完全可行。
然而,科学家们提出的假设并非凭空捏造,它们要么符合我们的日常认知,要么符合实验验证的结果,而当两者产生冲突时,我们理应以实验结果为准则。
科学的根本其实是假设,但这个话题一旦展开,恐怕没完没了。
举个例子,两点之间直线最短,这是一条公理,同样可以看作假设,它符合我们的日常经验,不需要证明也无法最终证明。
而光速不变原理亦是如此,它与我们的日常经验相违背,但与实验结果相吻合,我们自然要以实验为依归,因为我们的日常认知可能有所局限,这在某种程度上是必然的。
看似讨论至此已近尾声,既然光速不变原理只是假设,似乎没什么更多可说的了。
然而并非如此,仅仅说“光速不变原理是假设”并不能让人心悦诚服,我们还需要探索科学家们为何会提出这种违背我们日常认知的假设。
众所周知,任何物体的运动都需要参照系来界定其意义,比如我们平时所说的速度,通常默认以地面为参照系,比如高速公路的限速为每小时120公里,这是基于地面参照系的默认设定,因此无需特别说明。
这种认知早已在我们的思维中根深蒂固,它表明运动和静止都是相对的,并且需要参照系才能有意义,这与我们的日常经验极为契合。
但是,当麦克斯韦方程组推导出了电磁波的速度,即光速的公式时,人们发现公式中并未涉及任何参照系。实际上,这个公式向人类揭示了一个真理:在任何参照系中,光速都保持不变。
然而,要让一个世纪前的人们接受这一明显的结论,却异常艰难。如今我们之所以能轻松接受,是因为我们站在了“全知视角”。
在那个时代,牛顿力学体系的统治地位如日中天,当时的科学界几乎将牛顿力学视为“神的法则”,绝对时空观已深入人心。如果光速真的不变,那就意味着牛顿力学的颠覆,这是人们无论如何都无法接受的。
但事实是,麦克斯韦方程组清晰地推演出光速确实是恒定的,那怎么办呢?难道麦克斯韦方程组出错了?
尽管麦克斯韦方程组是新晋理论,但它极其优雅简洁,甚至被誉为人类历史上最美的方程组,当时的科学界也不敢轻易否定它。
该如何抉择?
显而易见,要么牛顿经典力学出错,要么麦克斯韦方程组有误,科学界必须做出选择。但实际上他们难以决定,只能妥协,试图调解两者之间的矛盾。
在这种背景下,“以太”的概念应运而生(虽然古时候也有以太的说法,但其本质并不同),科学界假定以太是绝对静止的参照系,也是光速的参照系,它充满了整个宇宙空间。
以太的概念巧妙地调解了牛顿力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾,但因为以太仅是假设,所以它需要实验的验证才具有说服力。
于是,科学界的领军人物开始通过各种实验搜寻以太存在的证据,著名的迈克尔逊莫雷实验便是在这样的背景下诞生的。
然而,实验结果表明以太并不存在(具体实验过程在此不作赘述)。面对这样的结果,迈克尔逊和莫雷两人实际上并不相信,他们更愿意相信实验过程出了问题或者仪器精度不足,也不愿相信以太确实不存在。
因为他们明白“以太不存在”意味着什么,它意味着绝对时空观和牛顿力学体系的崩溃,这是他们无论如何都不能接受的。
于是,迈克尔逊和莫雷两人反复改良实验,力求在实验过程中查漏补缺,但结果始终一致:以太并不存在。
按理说,结果已经很明了了:直接承认以太不存在即可。但之前我也提到,不要用现在的思维去评判一个世纪前的科学认知。即使实验结果清晰,迈克尔逊和莫雷两人始终不愿承认以太不存在。
从中我们可以看到,颠覆人们内心深处根深蒂固的理论是多么困难!
这里要强调,迈克尔逊莫雷实验并未证明光速不变,只是证明了以太不存在。即使实验真的证明了以太的不存在,当时的物理学界也无法接受,他们仍试图通过各种手段来调解,以保证以太的存在。
比如,洛伦兹假设在运动方向上以太会收缩,这样既能维持以太的存在,又能调解牛顿力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾,并由此推导出了著名的洛伦兹变换。
但为了维护以太的地位,科学界不得不做出更多的假设和复杂的数学推导,而任何一个假设出现问题,都可能彻底颠覆以太的概念,这意味着每个假设都像是一枚定时炸弹,随时可能引爆。
然而爱因斯坦的胆识过人,直接用“奥卡姆剃刀原理”否定了以太的存在,如果以太不存在,人们就不必再费力地保全它。因此,爱因斯坦大胆提出,光速就是恒定的,不需任何参照系。
基于光速不变原理和相对性原理,爱因斯坦提出了辉煌的狭义相对论。
任何科学理论都建立在假设之上,假设越少越好。而爱因斯坦仅用两个假设就推演出了狭义相对论。
后续的无数实验也证实,光速不变原理与人们的观测结果相符,一个多世纪过去了,科学家们并未发现相对论被证伪的证据。