光的悲剧

光的传播不是瞬时的

我们已经讨论过运动的相对性和无数惯性系统的存在，其中物体的运动定律是相同的。然而，还有另一种运动，乍一看似乎与我们已经确立的原则相矛盾。这是光的传播。光的传播速度是每秒30万公里，这对我们来说是不可想象的。这是因为我们通常熟悉的速度比光速低得多，而且它们之间的差别非常大。例如，在我们知道的相关物体的运动中，地球绕太阳旋转的速度非常高，但是尽管如此，地球的旋转速度只有每秒30公里。

光速会改变吗？

光传播的巨大速度本身并不是一个奇怪的现象，但令人惊讶的是光速的不变性。我们可以人为地提高或降低物体的运动速度，甚至提高或降低子弹的发射速度。我们只需要在子弹前面放一个沙箱，子弹通过沙箱后速度会降低。光传输的情况不同。让我们在穿过一束光的路上放一块玻璃板。因为光穿过玻璃的速度比在真空中慢。根据常识，用这种方法，光束的速度会降低，但当光线穿过玻璃后，它会恢复到每秒30万公里的速度。子弹的速度主要由枪内的结构和弹药的特性决定。对于光来说，不管是什么光源，光速都是一样的，不变的。由此我们知道光在真空中的传播有其非常重要的特征，即光速不能增加或减少。

运动的相对论原理会被动摇吗？

真空中光的传播特性和运动的相对性原理之间似乎有矛盾。想象一下，一列火车以每秒240，000公里的速度飞驰。我们乘坐火车的第一节车厢，同时打开最后一节车厢的灯。当测量电灯从车厢的一端传到另一端所需的时间时，我们可以很容易地推断出一个“奇怪”的现象。与每秒240，000公里的火车相比，光似乎只能以每秒300，000-240，000 = 60，000公里的速度传播。似乎光必须赶上第一节车厢。如果在相反的位置，我们在列车的第一节车厢安装一个电灯，测量电灯到达最后一节车厢所需的时间，这就是240，000+300，000 = 540，000公里。所以在移动的火车上，光似乎以不同的方向和速度传播。在静止的火车上，光以相同的速度向不同的方向传播。子弹的运动完全不同。如果你在行驶的火车上很强壮，不管子弹运动的方向是与火车运动的方向相同还是相反，子弹相对于火车的速度总是相同的。事实是这样的:子弹的速度是由枪的发射速度决定的，而光速不会因为灯泡的运动而改变。由此我们似乎得出结论，光的传播速度与运动的相对性原则相冲突。相对于移动或静止的车厢，子弹的射速是相同的。在以每秒240，000公里速度行驶的火车上，当光传播的方向与火车运动的方向相同时，光速是静止火车的1/5。当光的传播方向与列车运动方向相反时，光速是静止列车的1.8倍。这与我们在上一期中介绍的相对论原理完全不同。

这个决定是通过实验做出的。

如何处理这个矛盾？在对这种情况提出意见和看法之前，让我们首先考虑以下情况:光的传播和运动的相对性之间的矛盾完全是由人们的监督者造成的。必须承认，这一主观假设在某些情况下仍然令人信服。然而，如果我们只相信主观推理，我们将成为古代哲学家，试图从我们的头脑中产生自然法则。按照这种方法来解释世界，总有一天，客观世界会变得面目全非。实验是所有物理理论的最高评判。因此，我们不应该把自己局限于模糊的讨论和想象，而必须把自己付诸实践。实验将展示在这种情况下光是如何传播的。我们的实验会更方便，因为我们生活的地球是一个运动的物体。地球绕着太阳转，它的运动不是直线的，所以相对于任何惯性系统，它不可能处于永久静止状态。与参照系相比，地球在二月是静止的。但是到了七月，地球必须再次运动。这是因为地球围绕太阳旋转的方向已经改变了。事实上，我们对光在地球上传播的研究是在以每秒30公里速度运动的物体上进行的。这种情况对我们的研究有重要影响。之前我们讨论了光在以色列火车上传播的情况。那么，我们的地球和这场运动中的火车一样吗？我们曾设想火车会以匀速直线运动，而地球会沿着圆形轨道运动。尽管如此，我们仍然可以认为地球在匀速直线运动。从观察的角度来看，有一个误差，但这个误差极小，甚至小到无法观察到。因为我们把地球比作火车，我们自然认为光在地球上的传播应该和光在火车上的传播一样，也就是说，光以不同的方向和速度传播。

相关性得到证实

1881年，美国实验物理学家迈克尔逊对上述问题进行了实验。迈克尔逊高度精确地测量了光向不同方向传播的速度。为了检测出预期的细微差别，迈克尔森使用了非常精确的实验设备。他的实验准确度很高。他测量的速度差比预期的差小得多。迈克尔逊的实验在不同的条件下重复进行。他的实验产生了意想不到的结果。在一个移动的参照系中，光的传播与我们先前假设的完全相反。一位迈克尔逊发现，在地球上，光以相同且恒定的速度向任何方向传播。从这个意义上说，光的传播让我们想起了子弹的飞行。早些时候，我们曾设想在行驶的火车上，子弹的运动与火车的运动无关。与马车相比，子弹以相同的速度向任何方向移动。结果，一个迈克尔逊的实验证明，与我们的假设相反，光的传播并不违背运动的相对论原理，而是完全符合运动的相对论原理。也就是说，我们在前一节“运动的相对性原理会被动摇吗”中所做的推理是完全错误的。

你为什么会犯错误？

我们已经摆脱了光传播定律和相对论之间令人不快的矛盾。当然，这种矛盾是由我们错误的假设造成的，而不是真正的矛盾。你为什么会犯这样的错误？从1881年到1905年，将近四分之一世纪过去了，物理学家为这个问题绞尽脑汁。然而，他们对这个问题的所有解释都不可避免地导致理论与实践之间的新矛盾。在连续的解释中，所有那些忽视迈克尔森实验的意外结果并坚持相反观点的人都将失败。现在，让我们总结一下。迈克尔逊的实验进一步证实了运动的相对论原理不仅适用于一般物体的运动，也适用于光的传播，因此也适用于所有自然现象。我们已经注意到速度的相对性直接来自运动的相对性理论。相对于运动中不同参照系中的物体，它们的速度是不同的。然而，在任何参照系中，每秒30万公里的光速都是一样的，所以光速是绝对的，而不是相对的。