四：从牛顿力学的危机到相对论的建立——谈寻找以太的实验

　　“迈克尔孙－莫雷寻找以太的实验是物理学史上最著名的实验之一，它曾经是让所有
人充满希望的实验，也是几乎让所有人绝望的实验。它的彻底失败直接导致了牛顿力学的
空前危机，并终于在二十世纪初引发了人类时空观的彻底变革……”

　　（一）

　　还是从中学物理课本上引用的伽利略的那段话开始说起吧，“……在匀速行驶的船中
，水滴依然垂直下落，而不会偏向船尾：你向不同方向抛投物体，尽管物体飞行时船在前
进，但你不会发现向船尾比向船头容易抛得更远……你无法根据舱内的任何现象来确定船
是在正常的航行或是停在岸边。”

　　伽利略无疑是历史上认识到在一个匀速运动的参考系和一个静止的参考系上作任何实
验结果都不会有差别的第一人。而大物理学家牛顿更是看到了这一观点的深刻意义所在。
他一直在思考自己的牛顿三定理究竟普适到何等程度。终于，在他的著作<<自然哲学的数
学原理》一书中牛顿从哲学的高度解决了自己的困惑。他认定存在着一个绝对静止的空间
，在这个空间里时间是均匀地流逝着的。在其他所有相对这个绝对空间匀速运动的参考系
里面力学规律（他的三定律）都是适用的，正如我们大家所熟知，这种参考系叫惯性系。
如果是非惯性系（相对绝对空间存在加速度的参考系）怎么办？牛顿也不慌不忙地引入了
惯性力的概念，即在非惯性系内的受力物体另加上一个与加速度反方向的惯性力即可。于
是，处在一个自由下落电梯中的我们，就可以心安理得地这样解释自己的失重：我们的身
体除了向下受到的重力以外，还受到与电梯（非惯性系）的加速度相反方向的惯性力了。
两种力方向相反，大小相等，刚好扯平，所以我们感受不到重力是很自然的事情了。

　　牛顿的理论是天衣无缝的，至少在他那个年代的科学家们看来如此。伟大的牛顿不仅
在一团迷雾中指清了光明的所在，而且更重要的是，他给了所有人以强大的信心。生活在
牛顿时代的物理学家几乎是历史上最单纯幸福的一代。在伟人牛顿的光环笼罩之下，他们
几乎不用再担负任何哲学上的艰涩思考而放手拓展数学在物理学上的应用，一批批数学物
理大师滚滚而出，拉各朗日（J.L.Lagrange），拉普拉斯（P.S.Laplace），哈密顿（W.R
.Hamilton），泊松（S.B.Poisson ），直至后来登峰造极的麦克斯韦（J.Maxwell）。从
古到今对物理学真正最具信心的也是这代人，从来也没有人像他们那样自负（或者说狂妄
）过，这其中典型的如拉普拉斯。

　　当年在法国皇帝拿破仑举行生日庆典的宴会上，大物理学家拉普拉斯把自己的新作《
天体力学》一书毕恭毕敬呈给了皇帝预览。这位拉普拉斯大人在物理学和数学上学识相当
了得，但究其人品实在平平，从雅各宾派专政到如今的拿破仑皇帝，他自己也搞不清向多
少人宣誓效忠过了，其实从他热衷献寿礼这件事本身就可看出端倪。不料这次皇帝翻了翻
他的书，却十分不满地问道，拉普拉斯，我翻了这许多页，你怎么只字没有提到上帝？即
使是卑躬屈膝已经成了习惯的拉普拉斯，这次也终于挺直了腰杆，自豪地回答道，“陛下
，我的假设中并不需要上帝。”

　　拉普拉斯不愧是个解偏微分方程的高手，他那著名的宣扬拉普拉斯决定论的豪言壮语
也带有偏微分方程特有的味道，“如果有人能告知我整个宇宙诞生初期的条件和宇宙边界
的条件，我甚至可以计算出整个宇宙的演化历程！”这等几乎是疯子的言语，在当时却激
起一大片的轰然喝彩之声。阿基米德曾经也声称给他一个杠杆他能撬起整个地球，那不过
是夸张地形容了一下杠杆的威力而已，阿基米德本人也未必打算亲自尝试。而这次拉普拉
斯的“嚣张”竟然使得人人跃跃欲试！每一个沉醉在牛顿力学辉煌胜利中的人都是同样的
想法，拉普拉斯的话原则上并非没有道理，以后的物理学家们只需沿着伟人牛顿指引的路
走下去便是，甚至根本不须出什么才能特异之士，只要有几代人在数学计算上的平庸积累
之后，物理学就会成为一个历史名词了。

　　现在想来，拉普拉斯等人的狂妄也着实太过了些。早在1889年，法国的大数学家，物
理学家庞伽莱（H.Poincare）在解决看似很简单的三体问题（三个物体在相互引力下的运
动）时就发现纵然力学方程可以很快的列出，而我们始终是不可能找到完美的解析解的，
而且他发现解的结果对初始条件极其敏感，任何初条件的细微变化最终会导致整个系统的
混乱无序，顺着这条路走下去就是从上世纪六七十年代一直红到今天的混沌科学。这个算
是给拉普拉斯决定论第一个耳光。更响亮的还在后面，那是1920年前后以玻尔为代表的哥
本哈根学派创立的以几率诠释为根基的量子力学。至死坚持拉普拉斯决定论的爱因斯坦忍
无可忍，与玻尔一派展开了一场哲学上的激烈争论。其实即使是爱因斯坦这些决定论的忠
诚捍卫者，他们头脑中的时空观与拉普拉斯的也完全不可同日而语。总之后来这些曲折离
奇的变故，纵使第一智者牛顿泉下有知，也会惊得目瞪口呆的。

　　牛顿力学的危机，倒并不是出现在力学的本身，而是在其旁支电磁学上。相对独立的
电磁学自诞生以来就积累了无数纷繁杂乱的公式，直到有一天碰到了它们的终结者－麦克
斯韦。1864年 麦克斯韦用魔术般的数学手法将整套电磁学浓缩在四个简单的联立方程之
中，并以此预言了电磁波的存在。这不仅在物理学上是件了不起的大事，甚至有人这样评
论，两千年后的人们回想起公元1864年，首先忆起的只怕不是曾经轰动一时的美国南北战
争的爆发，而只是朴素简单的麦克斯韦方程。

　　麦克斯韦方程究其根本来说是凌驾于牛顿力学之上的，而当时的人们宁愿相信它是牛
顿力学最杰出的产物，甚至它的创始者麦克斯韦本人也坚持这样认为。当然，人们很快发
现麦克斯韦方程相当古怪，它并不满足被牛顿视为根基所在的伽利略变换（惯性系之间的
坐标变换）。这其实已经给牛顿力学亮了红灯，但生性乐观的人们宁愿给出另一种解释，
麦克斯韦方程只在牛顿指出的绝对静止的参考系中成立。这种解释立时引发了人们对牛顿
力学的最后也是最高潮的狂热，寻找以太！

　　正如本文开头伽利略所指出的，绝对静止的参考系和匀速运动的参考系是任何力学实
验也无法区分的，然而以麦克斯韦方程为根基的电磁场可以敏锐地判断到底那个参考系是
绝对静止的。当时人们类比声波，认为全空间充满了一种电磁波赖以传播的介质以太。虽
然以太本身的力学性质被赋予得诡异无比，但兴奋得发了昏的人们已经顾不上那些细枝末
节了，因为寻找地球本身相对以太的速度，也就是相对数百年前牛顿指出的绝对静止空间
速度的实验已经开始了。

　　（二）

　　这个实验就是1887年开始的著名的迈克尔孙－莫雷实验，当时人们已经能够利用光学
上光程差引起的干涉条纹的移动来进行极其精细的测量。地球相对太阳的公转速度大约是
30公里/秒，那么不管太阳相对以太的速度多少，一年之中地球相对以太的速度总有超过3
0公里/秒的时候，而这个速度完全可以被迈克尔孙－莫雷干涉仪所探知。这在当时被认为
是人类物理学的最后一件盛事，几乎所有的物理学家都备足了香槟酒指望得知结果后大大
地狂欢一把。

　　然而实验的结果让所有人都寒心不已，无论怎样地调整角度，改变光的波长，在高山
上测量，在矿井里测量，在不同的大陆测量，在不同的季节测量，干涉仪显示的结果始终
是零。难道真的是上帝眷顾，我们可爱的地球恰好就是绝对静止的空间所在？早就经历了
日心说，地心说之争的物理学家们是根本不会相信茫茫宇宙中平凡的地球会如此幸运的。
那问题究竟出在哪里？

　　很多人已经想到到迈克尔孙－莫雷实验零结果意味着地面发出的光速始终是恒定的，
它并不以地球的运动而带来很小的偏离。当时所有人的头脑里伽利略的速度叠加律是根深
蒂固的，在一辆以速度v向前行驶的火车上朝前方打开电筒，光波的传播速度应该是C+v
（C是光速，约为30万公里 /秒）。但既然地球明显相对着以太（绝对静止空间）在运动
，为何光速始终不受影响？

　　没有合理的解释，人们只能又在可怜的以太身上编织更加匪夷所思的特性来扯圆自己
的说法。1892年物理学家洛仑兹和菲兹杰若提出了任何相对以太运动的物体都会有一定程
度的长度收缩，这个收缩刚好弥补了干涉仪上的条纹移动。这等牵强的解释不得不让人想
起了笑话中那位只有本事锯掉箭杆的“外科”医生。

　　在一眼望不到边的苦闷和绝望中头一个警醒地认识到以太本身可能存在问题的还是庞
伽莱，他在1900年就这样写道，“我们的以太真的存在吗？我相信，再精确的测量也不能
揭示任何比相对位移更多的东西。” 当然真正解开这个死结的是人类的骄子，牛顿以后
最伟大的物理学家爱因斯坦。他在1905年那篇著名的论文《论运动物体的电动力学》中明
确指出“引入以太根本就是多余的，因为我在这里提出观念将不需要具有特殊性质的绝对
静止的空间。”

　　年青的爱因斯坦宣告了把时空更紧密地联系在一起的狭义相对论的诞生。他的理论中
彻底放弃了牛顿的那个绝对静止的空间，取而代之的是光速不变原理（光在任何参考系的
速度都是恒定的）和相对性原理。洛仑兹费劲心机弄出来的那个长度收缩成了相对论的一
个显见的结论。

　　爱因斯坦不仅是人类中极其罕见的敢于突破常规，不被表面现象迷惑的天才，而且他
是以美学的观点思考物理学并取得极大成功的第一人。在爱因斯坦万物平权这个朴素的美
学观点中，牛顿那个相比其他惯性系都显得无比优越特殊的绝对静止空间就显得格外得刺
眼了。同时警惕无比的爱因斯坦也注意到前文中提到的非惯性系相比惯性系也未免有了太
多的特殊性，就此他萌生了广义相对论的想法。广义相对论的基本原理在于著名的等效原
理，爱因斯坦指出，在一个相当小的时空范围，不可能通过实验来区分引力和惯性力的。
如在一个密封舱内，观察者发现一个物体以重力加速度g自由下落，他根本无法判断是到
底是由于地球的吸引导致物体下落还是在根本无引力的空间密封舱本身以加速度g向上运
动引起的。得出的推论便是，我们这个空间，凡是有引力的地方都不是真正的惯性系，倒
是在引力场中自由下落的局部空间，由于引力和惯性力两者相消，才可被称作局部惯性系
。

　　牛顿关于绝对空间和绝对时间，惯性系和非惯性系的定义到此算是被改得面目全非。
当然牛顿的那套时空观更符合人们惯有的思路，爱因斯坦的相对论就对理解能力多少要有
些挑战了，人类的思维总是由简单到复杂，这是不可避免的趋势。

　　（三）

　　从牛顿力学的危机到相对论的诞生，这一段崎岖坎坷的历史为后来兴起的科学哲学做
了极好的注释。一个科学理论的建立第一要解释当时实验条件下的种种现象，第二当然理
论本身要自洽，不能有自相矛盾的地方，这两点牛顿力学完美的做到了。随着时间的推移
，人们的认知手段不断完善，会陆续发现一些理论解释不了的地方，此时人们的第一反应
并不是立刻发展新理论取而代之，而是在旧理论中加入一些假设的前提，比如此例中人们
赋予以太的一些光怪陆离的性质。后来发现不能解释的地方越来越多，人们的前提也越来
越多，慢慢地有的附加前提实在太过牵强（如洛仑兹的那个奇怪的长度收缩），有的则和
其它的前提相互冲突，这时候新理论的出现就迫在眉睫了，一如相对论的诞生。

　　更需要指明的是科学的承继性是很强的，相对论并不是彻底推翻了牛顿力学，而是扩
展了它。牛顿力学只是相对论在低速情况下的近似。这一点很多业余物理学家都没有意识
到，所以每次看到他们厚厚的论文中那些宣称推翻相对论的醒目字眼，我就不由得感到一
阵阵悲哀，他们很多人几年，十几年，甚至一辈子的辛苦努力其实都是白费了。

　　我倒是真诚地建议业余物理学家们不妨考虑一下在时间和空间的概念适用限度以下的
东西。具体说在普郎克时间（5.4×10^（-44）秒，普郎克长度（1.6×10^（-35）米）以
下，时间和空间彻底失去了意义，不能区分过去，现在和未来，也无法分辩上下，前后和
左右，因果关系也不复存在。在这段范围里，你们的各种理论没有相对论的束缚，大可各
展所长，例如可以说我们的四维时空只是N维空间的压缩（N=5，6，7任意）等等，只要最
后记住延伸到正常时空时，理论要回到相对论即可。关键行文中要郑重声明相对论只是你
的理论在某某情况下的近似，这样的论文虽然由于作者数学功力有所不逮仍不免是一塌糊
涂，但我保证即使再挑剔的专家也不敢只看一眼就断然拒绝了。