本文旨在对光速不变原理这一基础理论做出科普性质的阐述。

早在古希腊时期,人们就发现了静电现象,中国古代的文献也有利用天然磁石指明方向的记载。库仑用库仑扭秤和电摆实验解释了静带电体之间的相互作用;安培观察到通电导线使磁针偏转实验,说明了电流产生磁场;法拉第通过电磁感应实验说明了变化的磁场产生电场。这表明,电和磁之间是密不可分的。

光在此时还没有与电和磁相关联。人们当时所能稳定产生的光源几乎都是热致发光和化学发光。在天文实践中人们发现光的传播是有速度的,而在当时,设计精密的旋转齿轮实验装置也使人们初步测定了光速的大概值。麦克斯韦通过对电学和磁学的已知结果的理论分析,在理论的推导下提出了电磁波方程,并此后提出了麦克斯韦方程。而电磁波的存在也被赫兹用实验证实。通过理论计算所得的电磁波的速度与光的速度相近,麦克斯韦猜测光是一种电磁波。光能够如电磁波一样激发一些金属导体上的电子使其逸出,其能量与麦克斯韦的电磁理论基本符合。

至于物理定律的正确与否,我想起中学时期物理老师的一句话:“物理定律自从提出就自动成立,直到实验结果将其推翻为止。”如果既有的物理理论与新的物理定律存在矛盾,那么一定有实验能够证伪其中一个。麦克斯韦的电磁理论在今天仍未被推翻,通过此理论指导下的工程实践在你我的身边都随处可见──电话天线、无线充电、GPS网络等等。事实上,电磁学理论已经是当今最完善的一个物理学科之一。其精确程度甚至允许人们以此来定义米这一国际度量单位。

然而电磁场理论本身却与牛顿第一运动定律所规定的伽利略参考系相矛盾。这是电力与磁力的不同表现形式所造成的。我们以一个简单的例子来说明。对于一个“惯性系”,即满足牛顿运动定律的参考系,中摆放的两颗静止的带异种电荷小球,此时两者之间只存在静止带电体之间的作用力──库仑力。如果不将其固定,两者之间就会互相吸引。而以另一个,以垂直于两点连线的恒定速度移动的坐标系(这也是一个惯性系,是由牛顿第一定律规定的)来看,此时的运动电荷形成了电流,而反向流动的电流之间会有排斥力──洛仑兹力。这些值都是可以精确计算的,而当移动速度到达一定值(光速),两个力之间就会相互抵消。当移动速度超过这个值,合力就会变成排斥力。这显然是不满足牛顿运动定律的。

然而结果我们都知道,库仑电摆(和扭秤)实验就已经告诉我们了。这就指出,如果要坚持牛顿运动定律,修正电磁定律,那么一定存在一个“绝对”参考系,电磁力中关于速度的计算都基于这个绝对参考系。这便引入了以太。力的传播需要介质,电磁力也不例外,其介质便是以太。在绝对参考系上,以太是静止的,这样就可以不需要修正绝大多数的力学定律,只需要对电磁定律进行相应的变换即可。我们上文提出的例子是由洛仑兹设想的。麦克斯韦提出了以太,而洛仑兹本人是以太学说的拥护者,他给出了一套电磁力的变换公式来计算一个运动参考系相对于绝对参考系的电磁力,这样就能够使得电磁的总作用力相同。这个变换公式正是后来狭义相对论的经典推论──洛仑兹变换(尽管形式不同),尽管后来的应用与他设想的并不相同。

然而地球本身在以30公里每秒的速度绕着太阳转,赤道上则是以大约1600公里每小时的速度自转。这个速度的方向时刻在改变,相对于绝对参考系,地球上的速度又快又在变化,以太相对于我们以相当高的速度运动,即迎面吹来的“以太风”。这便引入了迈克尔孙──莫雷实验,这个实验的目的就是测定我们相对于绝对参考系的速度。

迈克尔孙──莫雷实验的设计思路是,分开同一束光,同时在两个垂直方向上走过一段距离再观察,通过波动干涉,我们可以得到两者走过的时间差。再旋转90度,这个时间差会发生变化,会在干涉条纹上展现出来发生了移动。通过不同角度的测量,我们就可以得出我们相对于以太的运动速度。这就类似于伸出手来感受风向,你旋转你的手,风吹的感觉就不一样。

但是这个实验做出来的结果是不存在这股风。也就是说,实验地点相对于以太静止参考系的速度是0。人们在不同海拔,不同纬度,不同的时间做了这个实验,得出如果存在以太,那么以太参考系和地球参考系是一致的。虽然没有以太风刮到地球上,但地球就是以太风的风眼,太阳上的以太风速是一千万米每秒──这已经足够观测到了。

电磁定律修正失败,爱因斯坦开始在牛顿运动定律上做手脚,最后提出了狭义相对论。准确地说,狭义相对论只有两条基本原理:

在所有惯性系中,物理定律具有相同的表达形式。

在所有惯性系中,真空光速具有相同量值,与光源的运动无关。

前者几乎是朴素的,继承了整个经典物理学的内容,而后者就是文题所述的光速不变原理。实际上,科学界对光速的测量也是相当精确的。如果存在一个随地球旋转的以太参考系,那40亿公里外(如果你觉得这个数字很大,这只有0.0004光年,海王星都比这个远)的任何星球在其发的光掠过地球表面的时候,都会像超音速飞机的音爆那样亮(而且没有质量的物体旋转是违背牛顿运动定律的)。若非如此,地球的自转足以在早晚之间提供将近1000m/s的光速测定差值。1958年人类测量光速的精度就已经在100m/s左右,这样的误差是很难逃脱实验人员的法眼的。

当代“以太”这个词语仍然在使用,例如“以太网”。虽然静止以太的观点不再存在了,但电磁的相互作用仍然需要一个介质来传递。另一个物理学分支──量子力学提供了一个令人信服的解释,感兴趣的读者可以自行查阅相关资料。


我长期认为,让高中生和本科生接触基础科学的训练,其目的并不在于能够掌握多少知识,而是培养一个人的科学素养与严谨的态度。但令我吃惊的是,尤其是一些计算机领域中颇有建树的人,包括一位编译器领域的专家,曾经在四川唯二的985高校中完成了本科(据我所知,该高校的物理教育在四川还不错,仅逊于成都七中),而如今不仅对这些高中层次的常识认知都有些偏差,连推理实证的态度都非常匮乏。

阴谋论在如今的科学领域是站不住脚的。发一篇普普通通的光速测量的论文可能连教职都拿不到,但如果能够证明光速是在变化的,就算国际大型阴谋科研集团阻挠你发表,找个三流报纸把事情捅出去,至少也是吃喝不愁。如果在某些国家,至少能够像李森科那样混个院士,实验想做几台就做几台,论文想发几篇就发几篇。也不难测,请两个物理研究生,按照这篇论文来搞,打个飞的去马尔代夫,一天就搞定了,到时候估计都是专机来接,吃香的喝辣的,还卖什么课啊。(注:如果做不出来,本文作者不提供返程票报销事宜)