《重读相对论》5.1 光速不变

第5章 横空出世

5.1 光速不变

伽利略去世后的一年，牛顿出生了；麦克斯韦去世的那一年，爱因斯坦出生了。然而，青年时代的爱因斯坦似乎没有表现出什么卓越的天赋， 1905年之前，他还只是专利局的一个年轻职员。但有个疑问一直引导着爱因斯坦去探索光的秘密：如果我从手电筒中发射一道光，然后再以光速去追赶它，将会看到怎样的现象呢？

毫无疑问，按照伽利略速度变换：如果爱因斯坦以子弹的速度去追赶子弹，那么他将看到一个悬浮于空中的静止子弹；如果爱因斯坦以声音的速度去追赶声波，那么他将听不到任何声音。同理，假设光以子弹的方式前行，那么爱因斯坦以光速追赶光子时，必将看到一些悬浮不动的光子；假设光以声音的方式前进，那么爱因斯坦以光速追赶光波时，必将看到静止不动的电磁波。然而，如果光子或电磁波静止不动，爱因斯坦还能看到它们吗？直觉告诉爱因斯坦，这两种情况应该都不会出现。无论他以怎样的速度追逐光，电磁场依然会交替变化，电磁波也不可能静止不动，光线则仍然会继续前进。但如果他的速度继续增加呢？难道人类永远不能超过光速吗？对于在日常生活中习惯了伽利略变换的爱因斯坦，光速不可超越同样是不可想象的。显然，这三个答案全都无法令人满意，因此这个看似简单的问题始终萦绕在爱因斯坦的心头，引导他不断的展开思索。

同牛顿一样，爱因斯坦从小就笃爱欧几里得的《几何原本》，他甚至说：一个人当他最初接触欧几里得几何学时，如果不曾为它的明晰性、可靠性所感动，那么他是不会成为一名科学家的。几何学的逻辑体系全部基于几条可靠的基本公理。同样，要回答自己心目中萦绕已久的那个问题，爱因斯坦也必须要找到一切物理现象的根本原因。

当时，经典力学的基础在于牛顿的绝对时空观。但爱因斯坦却很难想象绝对时空的存在。众所周知，我们每天都在以很高的速度随着地球的公转、自转运动，而太阳系又以更高的速度围绕银河系运动。可以说，我们的运动状态每时每刻都在发生着变化，如果物理定律只在绝对时空中存在，那么它一定会随着我们所处的参考系的运动变化而有所区别。也就是说，我们将无法通过天文观测或是实验数据发现任何可靠的物理定律。相反，既然我们已经发现了大量可靠的物理定律，这就意味着，相对于一切参考系而言，物理定律只能是相同的。

与《几何原本》一样，麦克斯韦方程组的精美同样让爱因斯坦感到震撼。然而，由于麦克斯韦在推导过程中采用了绝对运动的观念，这使麦克斯韦在处理导体通过磁场和磁场通过导体时采用了完全不同的推理过程。在爱因斯坦看来，这是完全没有必要的，因为只要磁场和导体之间发生了相对运动，必然会产生同样的结果。更重要的是，根据麦克斯韦电磁学理论，光在真空中传播的速度只取决于介电常数和磁导律，其表达形式为：

由于两个电磁学常数与参考系无关，因此，光速c也应该和参考系无关。但让人难以理解的是，从表面上看来，光速不变原理和相对性原理是不能相容的。如果一束光以速度c射向我们，同时我们迎着光线以速度v前进，难道光线相对于我们的速度不应该增大为c + v吗？反过来，如果我们相对于光线以速度v后退，那么，光线相对于我们的速度不应该是c - v吗？光速怎么可能永远不变呢？接下来，我们必须详细解释一下，什么叫做光速不变。

所谓光速不变，既不是指光线离开发光体的速度不变，又不是指光线离开绝对空间或某种介质的速度不变，光速不变是指，光线从观察者所在参考系内的某个起点到另一终点之间的速度不变。我们不妨仍以伽利略的封闭船舱为例，如图5-1所示

在船头前方，一只手电筒发出的光经过封闭船舱的一个小孔射入，射向船舱尾部。在此过程中，所谓光速不变是指，无论手电筒自身是静止还是运动，无论大船本身是前进还是后退，光线经过船舱前后的速度永远保持不变。这就意味着，光速与光源的运动无关。

那么，光速相对于不同观察者又会发生怎样的变化呢？对此，我们不妨再举一个例子，如图5-2所示。爱因斯坦拿着手电筒向右运动，当他经过A点时打开手电筒，光线立刻向前射出，经过一段时间后爱因斯坦到达了B处，此时在地面上的B处正好站着他的朋友贝索，爱因斯坦和贝索同时看到光线已经从手电筒发射到了C处。

现在的问题在于：从爱因斯坦的角度看来，光线是从自己的手电筒内射出的，相对于自己而言，光线走了BC这么长的距离；但是相对于地面上的贝索看来，光线是从爱因斯坦经过的A点发出的，在此过程中光线应该是走了AC这么长的距离。既然光在同一段时间内走了不同的距离，我们凭什么说光速相对于不同观察者也是相同的呢？哈哈，这个问题不但你不清楚，爱因斯坦一开始也想不清楚。因为我们还没有解决同时性问题！而参透“同时性”的那一瞬间，也正是爱因斯坦大彻大悟的一刻！