两个小小的难题

第十八章　两个小小的难题

这一章比较特别，和它前面后面的内容不大一致，讲的是两个小问题，好像光滑的皮肤上突兀而出的两个小痦子，但其实讲讲它们是必要的，因为这两个小小的难题预示着一场伟大的革命。

我们知道，物理学史上有三大巨星，伽利略、牛顿与爱因斯坦，这三个人代表了物理学史上的三座最高峰，高高耸立在物理学的大地之上，无人能望其项背。

他们中，属于文艺复兴时代的伽利略与紧接着文艺复兴时代的过去而诞生的牛顿基本上是相连的，因此我们在前面让他俩并肩而立，而爱因斯坦在他们后面隔得远一些。因此三座大山大致排成这样的形状“”。

前面我们已经连着讲过了伽利略和牛顿，那么在牛顿与爱因斯坦之间又怎样呢？

牛顿之后，物理学的发展在相当一段时间里再也没有这样的高峰了，这段时期大约是从牛顿去世的18世纪一直持续到爱因斯坦发现相对论的19世纪末与20世纪初。

当然，这段时间远非空白，仍然有许多杰出的物理学家为物理学的发展贡献出了很多发明与发现。由于篇幅的关系，我在这里就不提了，只提提光学中的两个内容，它们都发展于19世纪，一是发现多谱勒效应，二是以太问题，就是这一章我们要讲的内容了。

之所以要讲这两个理论，是因为它们对于我们认识宇宙、对后面要讲的爱因斯坦相对论都有着相当密切的甚至直接的关系。

—多谱勒效应与宇宙红移—

多谱勒效应是由奥地利物理学家多谱勒发现的。

多谱勒生于1803年，是物理学家和数学家，担任过维也纳大学的物理学教授，他一生只出版过一本数学著作，但发表过多篇重要的论文，其中最重要的便是解释多谱勒效应的论文。

什么是多谱勒效应呢？为了理解之，先讲一个您可能体验过的现象。

当我们站在铁路边等火车过去时，火车鸣着汽笛奔驰过来，我们会听到那汽笛声高得十分刺耳，而且火车越是接近，就越显其高。当火车经过我们，又离我们而去时，原来尖锐刺耳的声音一下子变得低沉起来。这个现象可以用多谱勒效应来解释。

我们知道，声音是一种波，即声波。当声源静止时，声波便均匀地向周围传播，这样，我们无论站在哪个方向，耳朵中听到的声音总是同一个频率。当声源，例如火车汽笛，向前奔驰时，在汽笛之前方，一阵阵发出的声波后面的紧追前面的，一阵追着一阵，一圈追着一圈，挤得紧紧的，从而使各圈声波之间的距离缩小，也就是使得声波的波长缩短、同时频率增大，因此听上去声音也就尖锐刺耳了。相反，当火车汽笛离我们而去时，声波就好像一圈比一圈落后了，使声波的波长加大，频率缩小，于是汽笛的声音就变低沉了。

再打个比方吧，大家知道水波也是一种波，其传播方式与声波相似，只是一者可见而另一者不可见。当一艘船在水里时，它会产生水波。当船静止，或者只在水中上下起伏时，它所产生的水波也均匀地向四周散开。如果船开动，我们将看到它前面各圈水波之间的距离会缩小，一圈圈波纹挤在一起，即波长缩短、频率提高。相反，船后面的各圈水波之间的距离加大，即波长加大、频率降低。我们可以想象，若声波具有颜色，也正是这样的情形。

以上现象就是多谱勒效应。这个效应在天文学上有广泛的用途。

光也是一种波，它具有波的许多共同特点，其中包括多谱勒效应。这也就是说，当光源快速离我们而去时，它的频率会降低；相反，当光源快速冲我们而来时，它的频率就会提高。我们前面在讲光学时说过，在光谱里，越往紫色的那边频率越高，越往红色的那边频率越低。因此，当天体快速冲我们而来时，由于光谱的频率提高，它的谱线就必定会往紫色一边移动。如果天体是离我们而去，其谱线必定会向红色一端移动。这就是光波中的多谱勒效应。我们可以称前者为紫移，称后者为红移。

这一现象对于现代天文学与宇宙学极为重要。因为，天文学家们在观察天体时，发现一个明显的现象是，所有天体——无论位于我们地球的东南西北还是上下左右，其光谱都有红移现象，这就是所谓的“宇宙红移”，根据多谱勒效应，这说明所有天体都在飞快地离我们而去，就好像一颗炸弹在空中爆炸后，其弹片往四周飞散的样子。于是天文学家们就此提出了一种宇宙起源的学说，即宇宙间所有天体，包括地球，都是一场发生于约100亿年前的一次大爆炸。大爆炸后，宇宙起初只是能量，但随着爆炸带来的不断膨胀，能量逐渐转换成物质，物质成了宇宙的主体。而且，大爆炸产生的余威一直在继续，使形成的天体仍在不断地从中心向四周飞散，而宇宙也在不断地膨胀下去，直到永远。这就是宇宙学中著名的“膨胀的宇宙”和“大爆炸宇宙学说”，迄今都是最流行的宇宙模型与宇宙形成理论。

—神秘的以太—

以太是一个古老的哲学与科学概念，早在古希腊时期它就诞生了，那时人们以为组成所看到的天空的物质就是一种“以太”。后来以太的特性在不同的哲学家与科学家那里渐渐有了改变，到了牛顿那里，牛顿认为以太是一种能够传递万有引力的物质，不过对于牛顿的经典力学，以太并不是一个重要而必需的概念。

到了19世纪，以太的观念在千年之后再一次返老还童，显示了强大的生命力。

这生命力缘于人类对光的认识。

我们知道，波，从水波到声波，其传播都需要一种介质，例如水波需要水，声波需要空气，在没有空气或者空气极为稀薄的宇宙太空里声波是不能传播的。这样，如果光真的是一种波，那么它靠什么来传播呢？

于是，波动说的创始人之一惠更斯就假想光在一种叫“以太”的媒质中传播。也就是说，光波之在以太中传播就像水波之在水中或声音之在空气中传播一样，是靠着水或者空气的振动来传播的。这种以太充满整个空间，凡是光能传播的地方都少不了它，就像鱼儿离不开水，瓜儿离不开秧一样。

以太说虽然可以解释光波的传播，然而它将以太解释为像空气或者水一样具体存在的物质却面临许多疑难。例如，我们知道光的传播速度是极大的，每秒达30万公里，而声音在空气中的传播速度只有每秒300余米，只及光速的百万分之一，水波的速度就更慢了，如果一种介质能够如此快速地传递一种波，那它就必须具有许多奇妙的性质，例如它的弹性必须非常之大同时密度又非常之小，这样的性质对于具体的物质是不可想象的。

当然，最为重要的一点是，既然说以太是实际存在的物质，那么它就应该能够用某种办法找将出来。如何能够将它找出来呢？如何证实或者否证以太的存在呢？这就是科学史上著名的以太难题了。

为了解决这个难题，无数科学家花费了数不清的心血，作了许多的假设与验证。其中最有名者就是迈克尔逊莫雷实验了。

迈克尔逊1852年出生于波兰，后来移居到了美国，成了美国人，他是第一个获得诺贝尔物理学奖的美国人，他的获奖成果就是这个迈克尔逊莫雷实验。

大家知道，地球是在绕太阳公转的，其速度为约每秒30公里。以太的信奉者们提出的以太的基本性质是相对于地球绝对静止——这也是以太必须具有的性质，否则的话它又与一些我们观测到的天文现象，如我们在第七章中专门谈过的光行差，相矛盾了。

由于以太这个绝对静止的性质，就不可避免地应当产生“以太风”。这就像我们开着车兜风时，即使这时候周围的风级为0，即空气是静止的，我们也会感到劲风扑面一样。因此，如果以太存在，那么以太风就必然存在。迈克尔逊莫雷实验就是根据以太的这个特性来设计的。莫雷是迈克尔逊的合作者，他是一个美国化学家。两人在1881年时进行了初步实验，6年后完成精确的实验。这个实验异常巧妙，是整个物理学史上最精妙的实验之一。

实验的结果令所有以太的信奉者们大跌眼镜——他们根本没有侦测到运动的“以太风”，也就是说，即使以太是存在的，它也必须相对地球而言是绝对静止的，而我们知道地球肯定是运动的，那么也就是说，以太必须是与地球绝对等速地运动。

辛苦实验的结果，以太就得出了个既必须静止又必须运动的特性。这当然是不可能的。那么，剩下的唯一可能性只有一个了，那就是压根儿没有什么以太。

但就是这个没有，导致了由近代物理学走向现代物理学、由牛顿走向爱因斯坦，而它是这之间的缓冲地带。