相对论通俗科普系列：呼之欲出的狭义相对论—以太的否定

故事要追溯到牛顿力学。1687年，牛顿发表了《自然哲学原理》标志着牛顿力学的基厦建立完成。我们中学所学的物理都是围绕牛顿力学展开的。牛顿力学想必大家都很熟悉了，归根结底就是牛顿三大运动定律外加一个万有引力定律。我不用在这多赘述了，想必大家已经很了解了。

牛顿力学的绝对时空观有一个很重要的推论就是速度叠加原理。简单来说，你测量出和你相对或者相向而来物体运动速度是不一样。这也就意味着在牛顿力学里，任何物体都没有绝对的速度，包括光速。简单来说，你测量物体的速度或光速的具体数值在于你的运动方向朝向或远离被测量物体，由此演变而来的数学形式是伽利略变换，这种常识思维其实是一种隐患。

图片发自App

牛顿力学还埋藏了另一个定时炸弹，这就是一种朴素的观点：任何物体之间的作用都需要一个传播的“中介”。比如你不可能隔空打牛，你要打牛就需要用木棍这样的介质。牛顿虽然提出来万有引力定律，但是他并不明白引力的本质。在牛顿力学中，引力貌似不需要“中介”就可以给其他物体施加外力，可牛顿力学并不允许脱离介质的超距作用出现！但是人们又找不到万有引力作用的介质是什么？比如太阳给地球施加了万有引力，迫使地球绕其旋转，但是地球和太阳之间除了电磁辐射，其绝大部分是真空的，这不就是超距作用吗？难道太阳给予地球的作用力不需要介质吗？

基于这种朴素的观念，人们自然而然会提出来宇宙中到处都充满着一种绝对静止的介质，只不过人们暂时还没找到这种介质罢了。科学家姑且把这种充满宇宙的介质称为“以太”。以太的概念来自亚里士多德的五种基本元素之一，笛卡尔则首次把以太引入到科学的范畴。

图片发自App

既然大家都已经认可了以太的存在，下一步就是寻找它存在的证据喽！科学家们曾经提出许多验证以太的实验，但都没有以下这个实验出名。这就是阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷一起合作的实验，此实验也冠以他们的名字。既然以太这种介质充满了宇宙，而且绝对静止，我们就可以测量地球相对于“以太”的运动速度。实验具体可以参考维基百科，这里姑且不提及。但实验的结果则让人大吃一惊!

从1687年标志着牛顿力学的建立，到1887年迈克尔逊—莫雷实验的完成。整整200年过去了，人们原本以为真实存在的以太并没有被实验所证实，反倒被证伪了。

图片发自App

实验结果就是：没有以太。科学家疑惑：难道力的传递不需要介质而超越空间吗？而且这个实验还有一个重要的结论就是光速不变。不管你怎么测量，光速就是不变的。

牛顿力学中的速度叠加原理和不允许出现的超距作用，瞬间就被迈克尔逊—莫雷实验给踩个稀碎。问题到底出现在哪？ 洛伦兹和庞加莱都做出来了相应的思考。不过洛伦兹只是基于实验结果建立起来了洛伦兹变换，他没有胆量质疑牛顿力学的权威。

而庞加莱曾经思考这是不是由于时空的关系导致的，他把矛头指向了人们想都不敢想的时间，难道时间并不是人们想象的那样均匀而平滑地流逝吗？ 但是庞加莱并没有系统研究这个问题。

图片发自App

好了，《科学认识论》即日起开始科普相对论入门系列，系列分章节完成，文章尽量不牵扯公式，希望上过中学物理的读者也能看懂。喜欢就订阅吧！每日更新！