关于光的本质

关于光的本质

到了19世纪末，我们已经知道光的表现像波；与声音类似，但传递速度要快上许多。为了要弄懂本章后续讨论的内容，读者得了解波的两种重要性质。首先，波动需要靠介质来传递，也就是需要某种会来回摆动或振动的媒介物。设想声音是如何传播的：当你向身旁的人说话时，从你口中发出的声波透过空气传送到对方耳里。空气分子在这个过程中产生振动并传递声能。类似的情况还有，海面上的波浪需要有水，以及抖动绳子之后产生的“波凸”需要沿着绳子移动等等。

很显然，没有传递波动的介质，就不会有波。所以我们可以理解为什么19世纪的物理学家相信，被当成电磁波的光也需要某种介质来传播。由于没有人见过这种介质，他们必须设计能够侦测出其存在的实验方法。该介质被称为（导光的）“以太”（luminiferousether），科学界也投入大量心血试图证明它的存在。当然，它必须具有某些特质，例如：为了让遥远的星光能穿过空无一物的太空到达地球，整个银河系必须充满着以太。

1887年，在俄亥俄州的一间独立学院里，阿尔伯特·迈克尔逊与爱德华·莫雷一起进行了科学史上最著名的实验之一。他们设计出一种方法，能够极精确地测出一束光穿越一段特定距离所耗的时间。但是在讲述他们的发现之前，我得先说明波的另一种特性，也就是波传递的速率与波源移动的速率无关。

想象一部正在驶来的汽车所发出的噪音。声波的速度快得多，因此能在车辆抵达之前传送到你耳里，而声波的传播速率只跟振动的空气分子能将波动传递得多快有关。声波并不会因为受到行驶中的汽车“推进”而更快传送到你身上。真正发生的情况是，当车子愈来愈靠近，你与车子之间的波纹被挤压得更密，波长变短，频率变高。这种称为“多普勒效应”（Doppler effect）的现象对我们而言并不陌生，例如从救护车接近再远离的过程中警笛音调的变化，以及赛车在赛道上飞驰而过时引擎怒吼的声调变化都可以察觉出来。尽管声波的音频会随着声源速率不同以及它正在接近或远离我们而改变，然而波本身的传递速度却是固定不变的，传递到我们身上所费的时间也是。

关键在于，从汽车驾驶的观点来看，情况变得截然不同。车辆的引擎声透过空气向四面八方散播的速率都是一样的。因此，声波的相对速率在平行的车辆前进方向就显得比在垂直方向来得慢。这是因为对于汽车驾驶而言，车辆前方声波的前进速度等于声波在空气中的速度减去汽车的行进速度。迈克尔逊与莫雷将这个原理应用到光波上。他们设计了一个绝妙的实验装置，相信它将成为史上第一个侦测到以太并确认其存在的实验。首先他们假设，地球在绕着太阳公转的过程中会穿过弥漫在太空中的以太，速度大约是每小时10万公里。他们在实验室里能够测量两道光束行经两段不同的等距路径所需的时间，并达到不可思议的精确度。其中一条路径沿着地球绕太阳公转的方向，另一条则与之垂直。他们从地面实验室观测这两个方向的光速，就好像汽车驾驶看着向前与侧向的声波以不同的速率传播一样。

迈克尔逊与莫雷认为，假如以太真的存在，地球在其中移动应该不受阻碍，那么沿着两条不同路径前进的光束将会耗费不同的时间走完相同的距离；因为对于移动中的地球而言，光束在两个方向上的传播速度是不同的。尽管光速每秒高达30万公里，大约是地球公转速率的一万倍，他们所设计出来名为干涉仪的装置，却能借由这两道光束返回之后迭加产生的干涉现象，灵敏地量出光束行经两条不同路径所产生的时间差。

但是，他们并没有侦测到任何一丁点这种预期中的时间差。

他们的实验得出科学上所谓的“零结果”，相同的结果在日后一再地被更加精确的激光束实验所证实。全世界的物理学家简直无法理解这个结果，他们相信迈克尔逊与莫雷的实验一定是哪里出了差错。这两道不同方向的光束怎么可能速度相同？“一切运动都是相对的”这个原则究竟出了什么问题？

我晓得这整件事听起来有点令人困惑，让我尽可能把它说清楚。还记得火车上的乘客沿着走道走动的例子吗？迈克尔逊—莫雷实验结果就好像，火车座位上的你与月台上的观察者看到那位旅客的移动速度相同！这听起来荒谬至极，不是吗？正如我先前解释的，你应该看到乘客以正常的行走速度移动，而月台上的观察者看到他的速度比火车还要再快上一点、呼啸而过才对。

在迈克尔逊与莫雷得出令人困扰的实验结果的前8年，爱因斯坦诞生于德国乌尔姆。在同一年，也就是1879年，在华盛顿的美国海军天文台任职的迈克尔逊对光速进行测量，其结果达到万分之一的精确度。他并不是第一个进行这类测量的人，当然也不会是最后一个，不过这个经验却有利于往后他和莫雷一起进行的著名实验。年轻的爱因斯坦对于迈克尔逊与莫雷举世震惊的实验结果毫无所悉，但不久之后他却靠着构思各种臆想实验，开始独力思索关于光的各种不寻常性质。他问自己，如果以光速飞行时，同时拿着一面镜子放在面前照自己，是否还能看到镜中反射出自己的影像？如果镜子本身就以光速前进，从脸上发出的光怎么会到达镜面？他多年来的思索终于在1905年发表狭义相对论时开花结果，当时爱因斯坦才二十来岁。我们突然间能用一种美妙的方式来理解迈克尔逊与莫雷的实验结果了。

直到爱因斯坦的理论发表前，物理学家们不是拒绝相信迈克尔逊与莫雷的实验结果，就是试图修正物理定律以便与实验结果兼容，不过却未能成功。他们试图将光解释成一道粒子流，这种模型便能够解释实验结果；但这个实验却是针对光的波动本质而设计，运用两道光束的波迭加在一起的干涉图案来测出它们到达侦测器的精确时间。无论如何，如果光是由粒子组成，就没有以太存在的必要，因为粒子的传递并不需要介质。

这一切都在1905年改观。爱因斯坦的整个理论奠基于两个构想之上，称为相对论的两大基本假设。第一个假设来自昔日的物理知识，仅仅指出一切运动都是相对的，没有任何物体可以被视为处在真正的静止状态。这表示我们无法透过任何实验得知自己是否真的静止不动或是正在动。第二个假设乍看之下无关紧要，却是一个革命性的假设。爱因斯坦指出，光的确有波动性，因此光速与光源的移动速度无关（正如行驶中的汽车所发出的声波一样）。然而与声音不同之处在于，它不需要透过介质便可传递。以太并不存在，而光波可以穿过完全空无一物的太空。

到目前为止看来还没出现任何矛盾。你也许会认为，这些没什么杀伤力的假设并没有令人难以接受之处。它们看起来实在不像是会带来革命性时空观点的论述，但它们确实是。每一个假设单独来看都没有什么威力，但是当它们结合起来之后，便展现出爱因斯坦想法的精深之处。

我们来重点回顾一下。不论光源以何种速度运动，发出的光会以相同的速率传递到我们这里。这个现象跟其他种类的波相同，例如声波，没什么问题。我们知道观察者只要测出自己相对于介质的运动速度，便可得知相对波速。然而，光的传播不需要透过介质，如此一来宇宙中就没有人具有特殊地位，不论我们处于何种运动状态，都应该要测得相同的光速（每小时10亿公里）。这一点正是一切诡异情况的开端，我将会说明它的意涵。设想两具火箭在太空中朝对方高速前进。如果它们的引擎都处于关闭状态，只是以固定速度“巡航”的话，那么这两具火箭上的人都无法确定，究竟是两者同时朝向对方移动，或是其中一具火箭处于静止，另一具火箭向对方接近。事实上，根本就没有所谓的“运动”或“静止”，因为运动必定是相对于其他参考物体的状态。参考邻近的恒星或行星都不是好办法，谁知道它们究竟是不是静止呢？

接着，其中一具火箭上的航天员朝另一具火箭发射一道光束，并且测量光束发射出去之后的速度。由于他可以合理宣称自己处于静止状态，是另一具火箭在移动，他应该会看到光束以寻常每小时10亿公里的速度发射出去。同一时刻，另外一具火箭上的航天员也可以合理宣称自己处于静止。他也测出光束接近的速度是每小时10亿公里，并且表示这没什么奇怪的，因为光速与光源接近的速度无关。这正是我们所发现的情形。矛盾的是，这两位航天员测得的光速是相同的。

这实在非常神奇，而且有违常理。尽管两位航天员几乎以光速朝对方运动，他们对同一道光所测得的光速竟然相同！

在进入下一个主题之前，我们已经可以回答爱因斯坦关于镜子的问题了。不论他飞得多快，他都能在镜中看见反射的影像。这是由于他不论在何种速度下，看到光从脸上发出到镜子再反射回来的速度，都与静止时所见的光速相同。毕竟到头来，谁会来判定他飞得有多快？一切运动都是相对的，记得吗？这一切是需要付出代价的，我们需要修正对于时空本质的认知。只有当相对速度各异的观察者对于距离与时间的量测结果都不相同时，对于所有观察者而言，光速才有可能一致。