我能追上光嗎（上）（宇宙系列之二）

2020-09-05 世間的智慧



1543年，哥白尼公開發表《天體運行論》一書，提出著名的「日心說」，這一事件，被後人稱為是近代自然科學誕生的標誌。

日心說誕生前，從公元2世紀到16世紀，地心說一直佔據著西方天文界的統治地位。地心說認為，地球靜止不動，是宇宙的中心，所有天體圍繞地球做圓周運動。

日心說提出相反觀點，認為太陽是宇宙的中心，地球及其它天體都圍繞太陽做圓周運動，又稱地動說。

這一全新的觀點，在當時引起了一場激烈的爭論。贊成日心說的人主張地球在運動，而維護地心說的人主張地球是靜止的。

我們腳下堅實的大地，怎麼可能是在運動呢？

人們難以接受，我們居住的地球，是在太空中不斷移動飄蕩著。

地靜派據此提出一個有力的問題：如果地球是在高速的運動，為什麼地面上的人，一點也感覺不出來呢？



大科學家伽利略是堅信日心說的，在其名著《關於託勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中，寫了一個薩爾維阿蒂之船的故事，予以回答：

一條大船的主艙裡，關著幾隻蒼蠅、蝴蝶，有一隻大水碗，碗中有幾條魚，另有一倒掛水瓶，瓶下有一寬口罐。

大船停止不動時，觀察發現，蒼蠅、蝴蝶向艙內各方向等速飛行，魚兒向各個方向隨便遊動，水滴滴進下面的罐中。

艙內扔任何東西，只要距離相等，一方向不比另一方向用力更多。雙腳齊跳，無論哪個方向，跳過的距離都相等。

仔細觀察這些事情後，再使船以任何速度前進，只要運動是勻速直線，驚奇發現，上述現象絲毫沒有變化，無法從其中任何一個現象確定，船是運動還是靜止。

即使船運動得相當快，跳向船尾，也不比跳向船頭遠；水滴滴進下面的罐子，不會滴向船尾；魚在碗中前遊不比後遊累，一樣悠閒地遊向碗邊的食餌；蝴蝶和蒼蠅繼續到處飛行，不會向船尾集中。

薩爾維阿蒂之船表明，從船中發生的任何一種現象，你是無法判斷船究竟是在運動還是在停止不動。

伽利略從中概括出一個重要原理：力學定律在所有慣性系中都是不變的，稱為伽利略相對性原理。



勻速行駛的大船上，任何力學現象，和在靜止的大船上沒有差別，因為它是一慣性系。

慣性系是指，慣性定律在其中成立的參考系。嚴格來說，絕對的慣性系是不存在的，人們一般把地球近似為慣性系。所以地球上的人，感覺不到地球在運動。如中國古人所說，人在大舟中，閉牖而坐，舟行而人不覺也。

伽利略相對性原理，打破了亞里斯多德絕對靜止的觀念，並不存在唯一的靜止標準，如地球。我們可以說，A物體靜止而B以固定速度相對A運動，或B物體靜止而A以固定速度相對B運動，兩種說法是等價的。

二戰時，據說一位飛行員，在飛行中，發現臉旁有個黑點，伸手一抓，竟是顆子彈。先不論子彈是怎樣進入飛行員旁邊的，這只是個傳說故事。我們感興趣的是，人能否抓住子彈呢？

根據伽利略相對性原理，當飛機的速度和子彈的速度相等時，子彈相對於人就是靜止的，人就很容易地抓住子彈。

如果飛機的速度和光速相等，那麼人是否也能抓住光線呢？



愛因斯坦少年時，常常在想，如果我以光的速度，追隨一條光線運動，能否看到靜止的光呢？

1887年，麥可遜和莫雷做了一個觀測以太是否存在的實驗，發現一個驚人的結果。因地球以每秒30公裡的速度繞太陽公轉運動，按伽利略相對性原理，在地球不同方向上，測到的光速是不同的。然而實驗結果卻是，在地球各個方向上，測到的光速都是恆定不變的，30萬公裡/秒，用符號c表示。

麥可遜-莫雷實驗表明，不論參考物體以多快的速度運動，光線仍然以c速度遠離參考物體。所以愛因斯坦即使以光速運動，也看不到靜止的光線。

麥可遜-莫雷實驗，與麥克斯韋的電磁理論是一致的。電磁理論認為，電磁波的傳播速度只取決於傳播介質，它與波源的傳播速度無關。



然而根據伽利略相對性原理，只要我們運行的速度達到光速，光線相對於我們是靜止的，就能看到靜止的光線。

這兩者之間存在著矛盾，是不是要捨棄一個呢？

伽利略相對性原理簡潔而優美，光速不變又是電磁理論的必然結果。

愛因斯坦心想，能否兩者都保留，而捨棄其它的東西呢？

經過多年思考，愛因斯坦成功了，建立起自己的狹義相對論，全面變革人們以往對時空的看法。

狹義相對論建立在兩個假設基礎上：一個是狹義相對性原理，一個是光速不變定律。

狹義相對性原理，是對伽利略相對性原理進行了推廣。愛因斯坦覺得，上帝不會只偏愛力學定律，電磁學定律、熱力學定律等，也應具有同等地位的，故推廣為：物理定律在所有慣性系中都是不變的。

光速不變定律，是指任何參考系中，真空中的光速都是固定不變的。

假如你乘坐光速飛船飛行，你看到的光線仍然以光速離你遠去，而不是和你並行。

狹義相對論保留了相對性原理和光速不變原理，那麼它捨棄了什麼呢？



弦理論家格林在《宇宙的琴弦》書中，講敘了一個精彩的故事：

兩個敵對國的元首，分別坐在長長的談判桌兩頭。他們剛達成停戰協議，可誰也不願先在協議上簽字。聯合國秘書長想到了一個方法，放一盞燈在桌子中間，燈光會同時到達兩位總統。當兩位總統看到燈光時，立即籤字，協議在雙方滿意的情況下達成了。

秘書長很高興，又用同樣的方法，調解另外兩個正在備戰的國家。不過這次協議的籤訂，是在勻速行駛的火車上。兩國總統坐在談判桌的兩頭，甲國總統面向火車頭前進的方向，乙國總統坐在他對面，背向車頭。

剛籤完協議，車外站臺上看籤字儀式的兩國群眾卻打起來了。車上的人很震驚，他們聽說兩國群眾衝突的原因，是甲國民眾感覺自己受騙了，因為他們的總統先籤了字。

而車上的人，不論哪一方，都認為籤字是同時進行的。外面的人怎麼會看到不同的場面呢？

對車內的人來說，燈光在中間，到達兩位總統，是同時的。

而對站臺上的人來說，因火車在向前行駛，甲國總統迎著照射過來的光，乙國離開照射過來的光，所以光到達甲國的距離比到達乙國的距離要短。而狹義相對論中，光速對任何任何參考系來說都是不變的。所以對站臺上人來說，光先到達甲國，這就是為什麼甲國民眾說自己上當了。

那麼車上車下的人，誰對誰錯呢？

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