光的悲剧 光的传播并不是瞬时的 我们已经讨论了运动的相对性以及可能有无数个惯性系的存在，在这些惯性系里，物体运动的规律都是相同的．但是，还有另外一种运动，乍看起来同我们建立的原理是矛盾的．这就是光的传播．光的传播速度是每秒30万公里，这一巨大的速度对于我们来说是难以想象的．这是因为我们通常熟悉的速度要比光速小得多，他们之间的差异非常悬殊．例如，在我们知道的与之有关的物体运动中，地球绕太阳旋转的速度是很大的，但尽管如此，地球旋转的速度也只不过是每秒30公里而已． 光速可以改变吗？ 光传播的巨大速度，其本身也不是什么奇特的现象，但令人惊奇的是光速的永恒不变性． 我们能够人为地加大或者减低一个物体的运动速度，甚至可以增减枪弹的射速．我们只需要在子弹前方，放置一个沙箱，子弹传破沙箱后，其速度就会减低． 光传播的情况就不同了．让我们在一束光线通过的途中，放置一个玻璃盘子．因为光通过玻璃的速度，要比在真空中传播的速度小．按常理说，这样一来，这束光传播的速度就会降低，但是，光线通过玻璃以后，它又恢复每秒30万公里的速度． 子弹的速度主要由于枪内的构造和弹药的特性来决定．而对于光来说，不管是什么光源，光的速度总是相同的、不变的． 由此我们知道，光在真空中的传播有其非常重要的特性，即光速不可能加大或者减小． 运动的相对性原理会被动摇吗？ 光在真空中的传播特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾． 设想有一列以每秒24万公里飞驰的火车，我们乘上这列火车的第一节车厢，在最后一节车厢里同时打开一盏电灯．这时测量电灯光从车厢一端向另一端传播所需要的时间，我们很容易推断出一种“奇特”的现象． 相对于每秒24万公里的火车来说，光看起来仅以每秒30万-24万=6万公里的速度传播．这似乎是光必须追赶第一节车厢．如果，位置相反，我们在火车的第一节车厢安置一盏电灯，并测量出光到达尾节车厢所需的时间，这是的速度就是24万+30万=54万公里． 于是在一列运动的火车上看起来，光传播的方向不同，其速度也不相同．而在一列静止的火车上，光传播的方向不同，速度却是相同的． 子弹运动的情况完全不同．假如在运动的火车上大强，不管子弹运动的方向同火车运动的方向相同还是相反，相对于火车子弹的速度总是不变的． 事实是这样的：子弹的速度是由枪的射速决定的，而光的速度却并不会因为灯泡的运动情况而改变． 由此我们似乎可以得出这样的结论：光的传播速度同运动的相对性原理相矛盾．相对于运动的或静止的车厢，子弹的射速都是相同的．而在一列以每秒24万公里的速度飞驰的火车上，光传播的方向同火车运动方向相同时，光的速度是在静止火车上的1/5．而当光传播的方向同火车运动方向相反时，光的速度是在静止火车上的1.8倍． 这同我们在上一期所介绍的相对性原理是完全不同的． 由实验做出决定 面对这一矛盾怎么办呢？在提出这一情况的看法和意见之前，先让我们考虑下面的这样一个情况：光的传播同运动的相对性之间的矛盾完全是来自人们的主管臆造．必须承认，这一主观臆造在某种情况下，还是很有说服力的．但是，如果我们仅仅相信主观推断，就会成为那些试图从脑袋里生成自然规律的古代哲学家．按照这样的方法去解释世界，有朝一日，客观世界将成为一个面目全非的东西． 实验是一切物理理论的最高鉴定者．因而我们不应把自己束缚在空泛的议论与想象之中，因而必须投入到实验的实践中去．实验将会表明，在这种情况下，光实际是如何传播的． 我们的实验将因为这样的事实变得比较方便：我们自己生活的地球就是一个运动的物体．地球绕着太阳转，它的运动不是直线的，因而相对于任何惯性系，它不可能处于恒久的静止状态． 与一个参照系相对而言，地球在二月是静止不动的．但到了七月，地球又肯定是处于运动之中了．这是因为地球绕太阳旋转的方向改变了．实际上，我们在地球上研究光的传播，是在一个以每秒30公里的速度运动着的物体上进行的，这一条件对我们的研究起着不可忽视的影响． 前面我们讨论过光在以列运动中的火车上传播的情形．那么我们的地球是否和这一运动中的火车一样呢？我们曾设想，那列火车作匀速直线运动，而地球却是沿着圆形轨道运动的．尽管如此，我们还是可以把地球看作是做匀速直线运动．从观察的的观点考虑，这其中存在误差，但这一误差是极其微小的，甚至小得很难观测出来． 既然我们把地球比作火车，我们自然会想到：光在地球上的传播情形应该和光在火车上的传播情形相同，即光沿不同的方向传播，其速度不同． 相对论被证实 1881年，美国实验物理学家A·麦克尔逊作了关于上述问题的实验．A·麦克尔逊以高度的准确性测量了光沿着不同方向传播的速度数值．为了探测预想中的微小差别，A·麦克尔逊使用了非常精确的实验设备，他的实验精确性很高，他测量出来的速度差别比预想中的差别要小得多． A·麦克尔逊的实验，以后在不同的条件下又作过多次．他的实验得到了出乎预料的结果．在一个运动着的参照系里，光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反．A·麦克尔逊发现，在地球上，光向任何方向传播，其速度都时相同的、不变的．在这一意义上，光的传播使我们联想到子弹的飞行．前面我们曾经设想，在一列运动中的火车上，子弹运动同火车的运动无关．同车厢相对而言，子弹向任何方向运动，其前进速度是相同的． 于是，A·麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反，光的传播同运动的相对性原理并不矛盾，而是完全符合运动的相对性原理．这也就是说，我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的． 为什么犯错误？ 我们已经摆脱了光传播的规律同相对性原理之间令人不快的矛盾．当然，这种矛盾是由于我们错误的推想而造成的，而不是真正存在着矛盾．为什么会犯这样的错误呢？ 从1881年到1905年，几乎经历了四分之一世纪，物理学家们为了这个问题绞尽脑汁．但是他们对这一问题的一切解释，都不可避免的导致理论与实践之间的新的矛盾．在相继出现的各种解释中，一切无视A·麦克尔逊实验所取得的意想不到的结果，而坚持与其持相反观点的，都将归于失败． 现在，不妨让我们总结一下． A·麦克尔逊的实验进一步证实，运动的相对性原理不仅适用于一般物体的运动，而且也是用于光的传播，因而也适用于一切自然现象． 我们已经注意到，速度的相对性直接源于运动的相对性这一理论．相对于运动中的不同参照系的物体，其运动速度不同．但是，每秒30万公里的光速，在任何参照系里都是相同的，因此光速是绝对的，而不是相对的． 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/58630e6bbd1e650e52ea551810a6f524ccbfcbdd.html