第9章 万物理论 (1)

　　宇宙的最不可理解之处是它是可理解的。

　　——阿尔伯特·爱因斯坦

　　因为宇宙由科学定律制约，也就是说，它的行为是可以被做成模型，所以说是可理解的。但是这些定律或者模型是什么？引力是被用数学语言描述的第一种力。牛顿的引力定律于1687年发表，它讲宇宙中的每个物体都吸引任何其它物体，其吸引力和它的质量成正比例。因为它首次展示了至少宇宙的一个方面可被精确地做成模型，而且它还为此建立了数学体系，所以给那个时代的智慧生活留下深刻的印记。存在自然定律的观念提起了类似于大约五十年前伽利略被裁决异端类似的问题。例如旧约里的故事说，约书亚祈祷上帝让日月止步使之有额外长的白昼，他得以在迦南结束对亚摩利人的战争。根据约书亚记，太阳静止不动了大约一天。我们今天知道那就意味着地球停止转动。如果地球停止，那么根据牛顿定律任何没被束缚的东西都会以地球原先的速度(在赤道是每小时1100英里)保持运动——为了延迟日落要付出高代价。牛顿本人对此毫不在乎，正如我们说过的，牛顿相信，上帝可以并确实干涉宇宙的事物。

　　电力和磁力是其定律或模型被发现的宇宙的第二个方面。这些力的行为类似引力，但具有重大差别，两个同类的电荷或同类的磁铁互相排斥，而相异电荷或相异磁铁相互吸引。电磁力比引力强烈得多，但因为宏观物体包括几乎等量的正负电荷，所以我们日常生活中通常觉察不到它们。这意味着，两个宏观物体之间的电磁力几乎被完全相互抵消，而不像引力那样，它们全部叠加。

　　我们现在有关电学和磁学的观念是在十八世纪中期到十九世纪中期大约一百年间发展起来的，那时几个国家的物理学家对电磁力进行了仔细的实验研究。其中一个最重要的发现是电力和磁力是相关联的：一个运动的电荷对磁铁施力，而且一个运动的磁铁对电荷施力，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特首先意识到存在某些关联。当奥斯特在1820年在给大学讲演做准备时，他注意到从他正使用的电池释放出的电流使邻近的指南针转向。他很快意识到运动的电产生磁力，并创造了新词“电磁学”。几年之后，英国科学家迈克尔·法拉第推断——以现代术语表达——如果电流能引起磁场，那么磁场也应能产生电流。他于1831年展示了这个效应。14年后法拉第展现了强磁性会影响极化光的性质，还发现了电磁学和光之间的联系。

　　法拉第只受过很少正式教育。他出生于伦敦附近的一个贫穷的铁匠家庭，13岁时辍学在书店跑腿和当装订工。他在那里多年，从阅读要他照应的书里学到科学，并在闲暇进行简单而便宜的实验。他最终在伟大的化学家汉弗利·戴维爵士的实验室中得到一个助理的工作。法拉第生命中余下的45年全部在此度过，在戴维死后，他继承其位。法拉第在数学方面有困难，并且终其一生都对数学所知甚少，所以对他而言，为在自己实验室里观察到的奇特的电磁现象构想出理论图像，无异是一场搏斗。尽管如此，他还是成功了。

　　法拉第的最伟大的智慧创新之一是力场的观念。这个时代，多亏有关眼球突出的外星人及其星际飞船的书籍和影片，大多数人已熟悉这术语，这样也许他应得到版税。但是在牛顿和法拉第之间的几个世纪中，物理学的最大奥秘是，物理定律仿佛指明，力越过将相互作用的物体间隔开来的空虚的空间而作用。法拉第不喜欢这个，他相信，去移动一个物体，必须有某种东西和它接触，这样他想象在电荷和磁铁之间的空间充满了看不见的管子，这些管子实实在在地在进行推拉。法拉第把那些管子称作力场。想象力场的一种好方法是进行教室演示，把一块玻璃板放在磁铁棒上，在玻璃上撒开铁屑。只要轻敲几下以克服摩擦，犹如被看不见的力量轻推而移动，铁屑就将自己按一种弧线条纹排列，这弧线从磁铁的一个极伸展到另一极。那个条纹是穿透空间看不见的磁力的一张地图。现在我们相信所有的力都由场来传送，因此它是现代物理，也是科幻小说的一个重要概念。

　　几十年间，我们对电磁学的理解停滞不前，总共不过是一些经验定律的知识：电学和磁学紧密但神秘相关的暗示；它们和光有某种联系的见解；以及场的萌芽概念。至少存在十一种电磁学理论，每一种都有瑕疵。然后，在1860年代的几年间，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将法拉第思想发展成数学框架，因此解释了电学，磁学和光之间的本质的神秘的关系。其结果是一组方程，它把电力和磁力都描述成同一物理实体，电磁场的表现。此外，他还证明了，电磁场能够作为波通过空间传播。波速是由出现在他方程中的一个数制约，他从早几年测量过的实验数据计算出这个数。令他惊异的是他计算出的速度等于光速，那时已知光速在实验上精确到百分之一。他发现了光本身就是电磁波！

　　今天描述电磁场的方程被称作麦克斯韦方程。很少有人听到过它们，但它们也许是我们知道的在商业上最重要的方程。它们不仅制约从家电到电脑的一切运行，还描述除了光之外的波，诸如微波，射电波，红外光，和X射线。所有这些和可见光只在一个方面有差别——它们的波长。射电波的长波为一米或更长，而可见光波长为千万分之几米，而X射线的波长比亿分之一米还短。我们的太阳在所有波长上辐射，但是其辐射强度在我们可见的波长上最大。我们用肉眼能看到的波长是太阳最强烈辐射的那些，这也许不是碰巧：很可能是，正是因为这恰好是肉眼获得最大的辐射范围，所以我们的肉眼演化成具有检测该辐射范围的能力。如果我们遇到其它行星来的生物，他们也许具有看到在他们自己的太阳最强烈发射的不管什么波长上的辐射，这种辐射受到在他们行星大气中诸如灰尘和气体的遮光特性的因素的调制。这样，在X射线存在下演化的外星人从事机场安检可以非常称职。

　　麦克斯韦方程要求电磁波以大约每秒30万公里或者约每小时6亿7千万英里的速度旅行。但是除非你能指明一个参考系，相对于这个参考系来测量这个速度，否则引述一个速度没有任何意义。这不是你在平时通常需要考虑到。当速度限制标志写着每小时60英里时，那是指你的速度是相对于路，而非相对于银河系中心的黑洞来测量的。但是即便在日常生活也存在有你要考虑参考系的场合。例如，如果你持一杯茶在飞行中的喷气式飞机走道走动，你会说你的速度是每小时两英里。然而地面上的某人会说，你正在以每小时572英里的速度运动。为了避免你以为那些观察者中的一位或其他更有权拥有真理，记住因为地球围绕着太阳公转，而某位从那个天体表面看着你的会和你们二位都不同意，并且说你大约以每秒18英里的速度运动，更不用说嫉妒你的空调。根据这种分歧，当麦克斯韦宣布发现从他的方程涌现出“光速”时，就自然地产生了问题，麦克斯韦方程中的光速是相对于什么而测量的？

　　没有理由相信麦克斯韦方程中的速度参数是相对于地球测量的速度。他的方程毕竟适用于整个宇宙。有一时期被考虑到的另外一种答案是，他的方程指明的光速是相对于一个之前未被检测出来过的穿透整个空间的媒质。这个媒质被称为传光的以太，或者简短地就称为以太。这是亚里士多德相信充满地球之外的整个宇宙的物质，为这种物质取的术语。电磁波通过其中传播的媒质可能会是这种假定的以太，正如声通过空气传播一样。如果以太存在的话，就有一个静止的绝对标准(那就是，相对于以太静止)并因为也存在一个定义运动的绝对方式。以太就会为遍及宇宙整体提供一个优越的参考系，相对于它可测量任何物体的速度。这样从理论的依据假定了以太的存在，并使一些科学家去寻找一种研究它的方法，或者至少去确认其存在。其中的一位科学家便是麦克斯韦本人。

　　如果你对朝着声波穿越空气疾走，波就较快地向你接近，而如果你疾走离开，波就较慢地向你接近。类似地，如果存在以太，光速就会依你相对于以太的运动而变化。事实上，如果光的行为和声一样，正如搭乘超音速喷气式飞机的人永远听不到从飞机后面来的任何声音，因而足够快穿越以太运动的旅客也能够跑得比光波更快。从这类考虑开始研究，麦克斯韦建议一个实验。如果存在以太，那么在地球围绕太阳公转时，它必须穿越它运动。并且由于地球在一月份旅行的方向和例如四月或七月比不同，人们应能观测到在一年的不同时期光速的微小差别。

　　皇家学会会刊的编辑说服麦克斯韦不要发表他的思想，他认为的该实验行不通。但在1879年，在他48岁死于痛苦的胃癌之前不久，麦克斯韦就这个主题致信一位朋友。这封信在他死后发表于《自然》杂志。一位名叫阿尔伯特·迈克耳孙的美国物理学家是从那里读到此文的其中一人。从麦克斯韦的猜测获得灵感，迈克耳孙和爱德华·莫雷于1887年实现了一个非常灵敏的实验，这实验是设计来测量地球穿越以太的速度。他们的想法是比较两个成直角的不同方向的光速。如果相对于以太的光速是一个固定的数，那么测量就应该揭示出依光束方向而不同的光速。但是迈克耳孙和莫雷没观测到这种差别。

　　迈克耳孙和莫雷实验的结果很显然与电磁波通过以太传播的模型相冲突，而且应该把以太模型抛弃。但是迈克耳孙的目的是测量地球相对于以太的速度，不是去证明或证伪以太假设，而他的发现没有使他得出结论，以太不存在。也没有其他人得出那个结论。事实上，1884年著名的物理学家威廉·汤姆孙爵士(开尔文勋爵)说：“以太是动力学中我们确信的仅有物质。有件事物我们确信无疑，那就是传光以太的实在性和本体性。”

　　你怎能不顾迈克耳孙——莫雷实验结果还继续确信以太呢？正如我们说过，经常发生的事是，人们利用不自然的特别的附加物试图挽救模型。有些人假定地球拖曳以太跟着它走，这样我们实际相对于它没有运动。荷兰物理学家亨利克·安东·洛伦兹和爱尔兰物理学家乔治·弗朗西斯·菲兹杰拉德建议，在一个相对于以太运动的参考系中，也许由于某种还未知的机械效应，钟会变慢而距离会缩短，所以人们仍然测量光具有相同速度。这种挽救以太概念的努力几乎继续了二十年，直至一位在伯尔尼专利局的年轻不知名的职员阿尔伯特·爱因斯坦发表一篇非凡的论文。

　　当爱因斯坦于1905年发表他的题为“论动体的电动力学”论文时，他才26岁。在该论文中，他做了一个简单的假设，物理定律，尤其是光速对于所有均匀运动的观察都应该显得相同。结果，这个观念需要我们有关空间和时间概念的一场革命。为了知道为何，想象两个在喷气式飞机的相同地方但在不同时刻发生的事件。对一位在飞机上的观察者而言，那两个事件之间具有零距离。但是对于在地面上的第二位观察者这两个事件被分开的距离是飞机在两个事件之间的时间里旅行的距离。这显示了，两位相对运动的观察者在两事件的距离上意见不同。

　　现在假定这两位观察者观察从机尾向机头旅行的一个光脉冲。正如在上例中的，对于光从它的机尾发射直至在机头吸收旅行的距离，他们相互不同意。由于速度是旅行距离除以所用的时间，这意味着如果他们在脉冲旅行的速度——光速——上同意，他们就对在发射和吸收之间的时间间隔上不同意。

　　在这里使事情变得奇怪的是，尽管两位观察者测量不同的时间，他们却在看相同的物理过程。爱因斯坦没有企图为此建立一个人为的解释。他得出一个逻辑但却惊人的结论，花费时间的测量，正如旅行距离的测量，依赖于进行测量的观察者。这个效应是爱因斯坦1905年论文中的理论关键之一。这个理论被人称作狭义相对论。

　　如果我们考虑两位观察者看着一个钟，我们就能看到这个分析如何应用于计时仪器。狭义相对论认为，依据相对于钟静止的观察者，钟走得较快。对于相对于钟非静止的观察者，钟走得较慢。如果我们将一束从机尾向机头传播的光脉冲比喻作钟表的滴答声，我们看到，对于一位地面上的观察者该钟走得较慢，因为光速在那个参考系中必须旅行较大的距离。但这个效应与钟的结构无关；它对所有的钟，甚至我们自己的生物钟都成立。