梁衡

上回說到普朗克等多位物理學(xué)家在布魯塞爾高高興興地聚會，普朗克問愛因斯坦何不索性入伙，全力來攻量子論。愛因斯坦提醒他不要忘了物理學(xué)的天空上除“黑體輻射”外還飄著另一朵烏云。各位讀者，你道這朵烏云是什么，這便是那權(quán)威的“以太說”，突然遇到了挑戰(zhàn)。

原來自從牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)之后，這物理學(xué)的大廈真是金碧輝煌、美妙之極、無以復(fù)加。難怪當(dāng)年普朗克的老師都勸他再不要在物理研究上打什么主意。牛頓力學(xué)是一把萬能鑰匙，好像凡自然界的現(xiàn)象都能用它一一解釋。你看偌大個宇宙都在牛頓的手中掌握，伸手一指，那隱匿極深的海王星就趕快前來報到，再掐指一算，外出76年的哈雷彗星也要按時回來復(fù)命。另一面它又成功解釋了我們生活中諸如拉車、走路、流水、刮風(fēng)等雞毛蒜皮的小問題。于是力學(xué)的分支越來越多，如流體力學(xué)、剛體力學(xué)、彈性力學(xué)等等，人們也越來越愿意把一切運(yùn)動變化都?xì)w結(jié)為簡單的力，如：“化學(xué)親和力”、“生命力”、“光反射力”、“電接觸力”等。仿佛世界上的一切都可以套用機(jī)械的力學(xué)來解釋。

牛頓的“力”這樣神奇，那么它通過什么傳遞呢？推車得用手抓住車把，碧波蕩漾離不開水，聲波傳播離不開空氣。可是，地球離太陽一億五千萬公里，這之間既無水也無空氣，太陽借什么媒介來施展自己的引力呢？物理學(xué)家們又想出一個假設(shè)，說宇宙間充滿一種很稀薄的物質(zhì)，天體或其他物體間的作用就靠它作媒介，笛卡兒借用古希臘的哲學(xué)名詞，叫它為“以太”。此說一起，許多難題果然迎刃而解，引力靠以太傳播自不必說，法拉第的電磁力也離不開它，麥克斯韋證明光也是一種電磁波，當(dāng)然光的傳播也就離不開它了。更重要的是，以太的存在正好說明牛頓的絕對時空觀，有了這么一個絕對靜止的以太才會有地球、太陽等一切相對于它的運(yùn)動，要不那些星球的運(yùn)動拿什么來參照？以太成了19世紀(jì)中期物理學(xué)家們最溫柔的保姆，成了他們可以信賴的上帝。

但是總有一些聰明、勇敢的人在一種迷信和一片虔誠中首先提出問題。這以太既然無處不有，為什么我們就感覺不到呢？另外，光波是一種橫波，橫波必得由固態(tài)介質(zhì)傳遞，以太就該是固態(tài)了，但這樣一來就等于我們被澆鑄在一個透明的以太玻璃球里，可是又不影響我們隨意的動作——這真是太不可思議了。

有疑必定有問。事有湊巧，1884年，那個治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，輕易不外出講學(xué)的湯姆生終于被請到美國來做報告了。美國當(dāng)時比起歐洲來科學(xué)很是落后，它就想方設(shè)法請名家來講學(xué)，以后還重金聘請人才。湯姆生的到來自然是一大喜訊，報告那天科學(xué)界人士濟(jì)濟(jì)一堂。報告休息時大家又?jǐn)D到這個世界名人跟前七嘴八舌地問這問那，自然也提到那個神秘的以太問題。湯姆生說：“以太到底是否真有其物，現(xiàn)在還不能定論。我們只知道地球是以每秒30公里的速度繞日運(yùn)行，那么迎面就應(yīng)該有一股以太風(fēng)不斷吹來。如誰能用實(shí)驗(yàn)證明了這股風(fēng)的存在也就證明了以太的存在，但這要靠實(shí)驗(yàn)?！庇质钦f者無心，聽者有意。這時在人群里有一無名青年，聽到權(quán)威湯姆生的這句話心中不由一動，一個新研究課題便咔嚓一聲在腦子里掛上鉤了。

這個青年就是邁克爾遜（1852～1931年）。他原是德國人，2歲時父母帶著他漂洋過海到美國來謀生。17歲時他考進(jìn)海軍學(xué)校，在海軍服役期間省吃儉用積攢了一點(diǎn)錢，便于1881年到柏林、巴黎等地留學(xué)了兩年，然后又重返美國。真是人各有好，邁克爾遜被光的各種現(xiàn)象迷得如醉如癡，在歐洲到處拜師訪書，專解這方面的謎題。他在歐洲還親自研制了一臺可以測定微小長度、折射率和光波波長的光的干涉儀。就是用這臺干涉儀他于1902年測算出了獵戶星座一等變光星的直徑為兩億四千萬英里，大約是太陽直徑的三倍，這是天文學(xué)史上第一次準(zhǔn)確地測量星球。運(yùn)用光來搞測量實(shí)在是邁克爾遜的拿手好戲。

再說邁克爾遜在人群里聽了湯姆生的話，心中一動，回來后就開始研究找以太的辦法。他想地球這只小船在以太海洋里以每秒30公里的速度航行，我如果向逆著以太風(fēng)的方向和垂直于以太風(fēng)的方向同時射出一種東西，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)原理它們的合成速度肯定不同。如果能測出這種差別不就證明以太確實(shí)存在了嗎？用什么東西來做這種實(shí)驗(yàn)?zāi)?？這當(dāng)然是他得心應(yīng)手的武器——光。他這樣不斷地研究改進(jìn)，到1887年終于在與莫雷的合作下完成了物理學(xué)史上那個著名的實(shí)驗(yàn)。這年愛因斯坦才八歲，他萬沒想到一個物理學(xué)前輩現(xiàn)時正在為他向相對論進(jìn)軍掃清道路呢。

邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)裝置是這樣的：在一個大水銀池中漂著一塊堅固的大理石板，這是為了既能靈活轉(zhuǎn)動又不致?lián)u晃，從石板一側(cè)發(fā)出的一束光打到石板中心的玻璃上。玻璃成斜角，上面有一半鍍一層銀，這樣射來的光線就被分成兩束，一束照直穿過，一束反射到與光線來路垂直的方向。這兩束光走過相同的距離后分別在石板邊的兩面鏡子上再反射回來，匯合在望遠(yuǎn)鏡的鏡頭里。因?yàn)楣饩€分成90°角，一束是逆以太而行，那一束必是垂直于以太而行，兩束光的速度便應(yīng)該有差別。這可以根據(jù)它們在望遠(yuǎn)鏡頭里匯合時的干涉現(xiàn)象來確定。讀者也許要問，光速這樣快，你這塊石板能有多大，就是有差別也難測出。但是你要知道地球也在以每秒30公里的速度前進(jìn)，那么逆著以太的光和橫向的光每秒也應(yīng)相差30公里。而邁克爾遜這個制造儀器的高手，他的干涉儀就是一億分之一秒的光行差也能測得出來。

再說邁克爾遜和莫雷架起這臺儀器，他們先測了一次，從望遠(yuǎn)鏡里看正是最大亮度，這說明兩束光是同時返回的，它們的速度相同。邁克爾遜又把儀器轉(zhuǎn)一個角度，這塊大石板在水銀上極平穩(wěn)靈活地滑動一下，鏡頭里的光仍是和剛才一樣的亮。他真有點(diǎn)納悶，干脆把石板輕輕推著繞著圈觀察?？墒菬o論他將儀器轉(zhuǎn)成什么角度，看到的結(jié)果仍然不變。他眼睛都看疼了，便喊莫雷繼續(xù)來看，莫雷又把那個石板像推磨似的推了幾圈，喊道：“邁克爾遜先生，仍然看不出什么差別，怕是我們的儀器靈敏度不夠吧？”

“不可能。這臺儀器我已經(jīng)把它調(diào)到連植物在一秒鐘內(nèi)的生長量都可以觀察到。如果有以太存在，每秒30公里的光行差是一定能夠反映出來的?！?

“那就說明以太在隨著地球作百分之百的移動，我們應(yīng)該盡量離開地面，到高空試試是否有以太漂移?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2016/12/05/tbwz201622tbwz201622104-2-l.jpg" style="">

但是邁克爾遜和莫雷把他們的裝置搬到高山頂上，甚至隨著氫氣球上升到半空，還是測不出這種以太引起的光行差。結(jié)論只可能有兩個：要么是地球根本就沒有動，要么以太這東西根本就不存在。但無論哪一條都是一說出口都叫人目瞪口呆的新聞。這天體運(yùn)動經(jīng)哥白尼發(fā)現(xiàn)到牛頓最后證明是絕不能懷疑的。相比之下倒是以太說還有一點(diǎn)漏洞，看來宇宙間根本就不存在什么以太。邁克爾遜本是想以精確的實(shí)驗(yàn)為以太的存在提供證據(jù)，不想結(jié)果適得其反，從根本上否定了以太。一個小小的實(shí)驗(yàn)卻戳破了人們想象中的宇宙。

正是：本欲門上去貼金，手只一碰戳破門。原來大門是紙糊，何必為它費(fèi)苦心！

這邁克爾遜實(shí)驗(yàn)實(shí)在精巧，后來愛因斯坦曾有一段話專門評價他道：“邁克爾遜實(shí)驗(yàn)得出了一個任何人都應(yīng)當(dāng)理解的真正偉大的結(jié)果。我總認(rèn)為邁克爾遜是科學(xué)中的藝術(shù)家。他最大的樂趣似乎來自實(shí)驗(yàn)本身的優(yōu)美和所使用方法的精湛。他受過的數(shù)學(xué)或理論訓(xùn)練很少，又沒有理論方面的指導(dǎo)，卻能夠設(shè)計出邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，那是非常驚人的?！?/p>

再說邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一宣布立即在物理學(xué)界引起一場軒然大波，本來萬里無云的藍(lán)天上突然出現(xiàn)了一朵烏云。因?yàn)橐蕴坏┍环穸ǎ情T失火，殃及池魚，那牛頓力學(xué)的絕對時空觀將要從根本上動搖。已經(jīng)伴隨人們過了兩個世紀(jì)，指導(dǎo)物理學(xué)家做出無數(shù)發(fā)現(xiàn)的牛頓力學(xué)現(xiàn)在突然失靈了，經(jīng)典物理學(xué)家金碧輝煌的大廈突然出現(xiàn)了裂縫。于是各國的物理學(xué)家們紛紛提出各種方案來挽救以太，總希望邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)?zāi)苡辛硪环N解釋。

1892年英國物理學(xué)家斐茲杰惹（1851～1901年）提出了一個挽救以太的好辦法。他假設(shè)一切物體在自己的運(yùn)動方向上都要收縮，而且還給出一個公式，收縮的大小隨運(yùn)動的速率而增加。每秒運(yùn)動11公里的物體，收縮十億分之二左右，每秒運(yùn)動26萬公里的物體，收縮50%。物體運(yùn)動的速度達(dá)到光速，它在運(yùn)動方向上的長度就變?yōu)?。長度的收縮不會出現(xiàn)負(fù)值，所以光速也就是宇宙中所能達(dá)到的最高速度。這就是有名的斐茲杰惹收縮。按照這個假說，邁克爾遜在實(shí)驗(yàn)時，順著地球運(yùn)動方向的兩塊鏡面間距離就會變短，這正好彌補(bǔ)了光束逆以太傳播而減少的速度，所以并不影響它和另一束橫向光同時返回到觀察鏡里。

還有一位荷蘭物理學(xué)家洛倫茲（1853～1928年）1904年提出一個更嚴(yán)密的假設(shè)，他在一篇論文中說：當(dāng)電子在以太中運(yùn)動時，電子將會從圓球變?yōu)闄E球（它沿運(yùn)動方向的半徑變短）。這樣收縮說就更有根據(jù)了。好個洛倫茲，為挽救以太，竟一口氣提出了11個方案。他還提出了著名的“洛倫茲變換”，說明相對運(yùn)動的坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。和斐茲杰惹的長度縮短相似，洛倫茲又提出當(dāng)電子運(yùn)動的速度達(dá)到每秒26萬公里時，質(zhì)量會增大100%；而達(dá)到光速時，質(zhì)量無限大，這當(dāng)然不可能，又正好說明光速是一個極限。

光速既然是一個極限，邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)又證明了無論哪個方向上的光束都是一樣的速度，這不就是一個實(shí)實(shí)在在，干凈利索的結(jié)論嗎？何必又要把以太扯進(jìn)來呢？而且以太既然是靜止不動的，它絲毫沒有自己的速度、質(zhì)量，這和不存在又有什么差別？正像一個舊王朝被推翻之前，總有人千方百計地想出許多改良政策以延長其壽命。一個舊學(xué)說被拋棄前，人們也總是想把新事物和舊理論統(tǒng)一起來，希望它還能維持住它的權(quán)威?？墒沁@以太說已經(jīng)如同一件老和尚的百衲衣，補(bǔ)丁實(shí)在太多，縱然有斐茲杰惹、洛倫茲這樣的好裁縫也實(shí)在難以補(bǔ)綴了。

各位讀者，說到這里容我們做一簡單回憶。大凡一個新學(xué)說誕生之前人們總要演一出《霸王別姬》或《長亭相送》之類的戲，以表述自己對舊學(xué)說不能長存的哀怨和惋惜。想那哥白尼體系誕生前夕，托勒密體系已搖搖欲墜，大量的天文觀察已證明它誤差太多。為修正這種誤差，人們假設(shè)行星按均輪軌道繞地運(yùn)行時自己又按本輪運(yùn)行，一個本輪不行，再加一個，一直加到18個，真是不厭其煩。在氧氣發(fā)現(xiàn)前夕，燃素說開始露出破綻，參與燃燒的物質(zhì)會減輕重量，就說這是燃素跑掉了?？墒怯袝r反而會增加重量，這時就說燃素有負(fù)重量。在能量守恒定律發(fā)現(xiàn)之前，人們不知道熱能是運(yùn)動的形式，而說物體的冷熱是熱素在來回流動。但是一個老婦人無論怎樣梳洗打扮也是不能當(dāng)作新娘出嫁的。這種改良性的假設(shè)總不能維持長久。時間越長，危機(jī)越深，結(jié)果便是一場必然到來的革命，這就是哥白尼、拉瓦錫、焦耳的出現(xiàn)。現(xiàn)在以太說經(jīng)邁克爾遜在1887年捅破之后，人們修修補(bǔ)補(bǔ)，勉強(qiáng)維持到1905年，這時有一個年輕人再也不愿接受這種改良了，于是便振臂一呼，提出一個革命性的學(xué)說。此人到底是誰，且聽下回分解。

本欄編輯：姜煒