讨论的焦点其实是光速的不变性。光速在不同环境下始终如一,仿佛铁律一般。为何光速如此特殊?

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简言之:无解!光速便是如此,或者将光速不变视作一条假设,科学家们观测到的光速始终恒定,因此将其定为假设。事情就是如此直截了当,没有过多的解释。

遵循重要的事情需多次强调的原则,让我们重复三遍:

光速不变是假设!光速不变是假设!光速不变是假设!

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既然是假设,便无需道理,这样的假设可以被视为一条公理,不需证明。

我之前也提到了,作为假设的事物无对错之分,只看你是否接受或否认,无论你持哪种态度,都不算错。你甚至可以提出自己的假设来取代“光速不变原理”,完全可行。

但话又说回来,科学家们提出的假设并非随心所欲的产物,他们所提出的假设要么与我们的日常经验相符,要么符合实验的验证结果,而当两者发生冲突时,我们往往以后者为准则!

科学的精髓实际上就是假设,此处不作深入探讨,不然会没完没了。

举个例子,两点间直线最短,这是公理,也是一种假设,这种假设与我们的日常经验相符,无需验证,也无法最终证实。

同理,光速不变原理也是一种假设,它违背了我们的日常经验,但符合实验验证结果,当然要以实验为准则。因为日常经验可能有局限性,某种程度上,这一点必然存在局限性!

似乎到此,讨论可以告一段落了,既然光速不变原理是假设,似乎无话可说。

然而,直接简单地说“光速不变原理是假设”并不足以说服大众,我们还需要探索为何科学家们会提出这种与我们日常经验相悖的假设。

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我们都知道,任何运动都需要有参照系才能有意义。例如我们通常所说的速度,默认是以地面为参照系的,如高速公路的限速120公里/小时,这是以地面为参照系的,通常无需特别指出。

这种观念在每个人心中早已根深蒂固,表明运动与静止都是相对的,都需要参照系才能成立,这非常符合我们的日常经验。

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然而,伟大的麦克斯韦方程组推导出的电磁波速度公式,即光速公式中,并未涉及任何参照系。这个公式已经告诉了我们:光速在所有参照系中都是恒定的。

然而,让当时的人们接受这个显而易见的事实是相当困难的。如今我们能轻易接受,是因为我们处在“全知”的角度看待问题。

在一百多年前的物理学界,牛顿力学的统治地位极高,当时的物理学家早已将牛顿力学视为“神圣”,绝对时空观在人们心中早已根植,如果光速真的恒定,意味着牛顿力学的坍塌,这是他们无法接受的。

然而,麦克斯韦方程组明确推导出光速确实不变,怎么办?难道麦克斯韦方程组错了?

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尽管麦克斯韦方程组是“新兴事物”,它却如此优美和简洁,甚至被誉为人类历史上最优美的方程组之一,当时的物理学界也不敢轻易质疑它。

如何是好?

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,物理学界必须做出选择。然而他们难以决定,只能妥协,尝试调和两者之间的矛盾。

在这种背景下,“以太”的概念应运而生(其实古代也有以太的概念,但本质上并非同一事物),物理学界假设以太是绝对静止的参照系,也是光速的参照系,以太充满了宇宙空间。

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,但由于以太仅是一种假设,必须通过实验验证其有效性。

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因此,物理学界的佼佼者通过各种实验寻找以太存在的证据,著名的迈克尔逊莫雷实验由此诞生。

然而,实验结果表明,以太并不存在(具体实验过程此处不作赘述)。面对这样的结果,迈克尔逊和莫雷两人起初并不相信,他们宁愿认为实验过程出了问题或仪器精确度不足,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,意味着绝对时空观和牛顿力学体系的崩溃,这是他们无法接受的。

迈克尔逊和莫雷不断改进实验,力求完善实验过程,但结果始终一致:以太并不存在。

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按常理,结论似乎已经很明确:直接认为以太不存在即可。然而,不要以现在的思维去评判一百多年前的物理学认知。即便实验结果显而易见,迈克尔逊和莫雷两人始终不愿承认以太不存在。

这也显示出,推翻人们心中早已根深蒂固的理论是多么艰难!

此处需强调,迈克尔逊莫雷实验并未证明光速不变,只是证实了以太不存在。即便实验证明了以太不存在,当时的物理学界也难以接受,他们依旧尝试各种方法来调和矛盾,力保以太的存在。

例如,洛伦兹假设以太会在运动方向上收缩,这样既能确保以太的存在,又能调解牛顿力学与麦克斯韦方程组之间的冲突,由此还推演出著名的洛伦兹变换。

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然而,为了保全以太的地位,物理学界的权威们不得不作出更多假设,还有复杂数学公式,而任何一个假设出现问题,都可能彻底推翻以太的概念,这意味着每个假设都如同一颗定时炸弹,随时可能爆炸。

最终,爱因斯坦以极大的勇气,直接用“奥卡姆剃刀”原则剔除了以太的概念,如果以太不存在,人们也就无需苦思冥想保全它。于是爱因斯坦大胆提出,光速就是恒定的,无需参照系。

基于光速不变原理和相对性原理,爱因斯坦提出了划时代的狭义相对论。

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任何科学理论都建立在假设的基础上,假设越少越好。爱因斯坦仅用两个假设便推演出了狭义相对论。

后来的无数实验也证实,光速不变原理与人们的观测结果相符,经过一百多年的时间,物理学家们也未发现相对论被证伪的证据。