重温狭义相对论的建立

在 1801 年，托马斯・杨进行了一项简单的双缝实验，该实验表明光的行为类似于波。所以当时关于光的主流理论是它是一种波。问题在于，人们认为波必须通过某种介质移动。

众所周知，光可以在真空中传播，因为你可以看到星光。然而，人们认为外层空间是空的，什么也没有。因此，科学家们认为，光波能够在真空中传播的唯一途径是，存在一种遍及整个宇宙的介质，他们称这种物质为"以太"。

这种以太理论是 19 世纪的物理学标准理论。1887 年，阿尔伯特・迈克尔逊和爱德华・莫雷两位物理学家提出了一个想法来测试以太的存在。背景以太被认为是静止不动的，但由于地球在运动，人们认为它会影响粒子（或波）的速度。如果波与地球的传播方向相同，波的速度应该在地球速度的方向上更高。

为了验证这一假设，迈克尔逊和莫雷设计了一种称为干涉仪的装置。该装置将一束光分成两束，然后将其从镜子上反射回来，使其向不同的方向移动，最终击中同一个目标。这个想法是，两束光沿着不同的路径穿过以太，它们传播相同的距离，但以不同的速度移动。因此，当它们击中最终目标屏幕时，这些光束彼此之间的相位会略有不同，从而产生干涉图样。

但是这个实验的结果是惊人的。实验表明，两束光的速度并没有差异。无论光束走哪条路径，光似乎都以完全相同的速度移动。这严重危害了以太理论，没有人知道为什么，也没有人想出另一种理论来解释它。它被称为"有史以来最失败的实验"。

爱因斯坦开始介入

在 1873 年，詹姆斯・克拉克・麦克斯韦提出光是一种电磁波。他甚至计算过它的速度，大约是每秒 30 万公里。爱因斯坦了解过这一点，那时他就提出了一个思想实验：他想象自己在以光速行进的同时追逐着一束光，他会看到什么呢？他在笔记中写道："如果我能赶上这束光，我应该观察到这样的场景，光就像一个静止的电磁场，虽然它在空间上是振荡的。"换句话说，爱因斯坦认为他应该看到静止的光波。

然而，那是不可能的。爱因斯坦知道这样的静止场会违反麦克斯韦提出的电磁方程。电磁场中的任何波都必须以光速运动，不能静止不动。此外，爱因斯坦认为，如果有人乘坐一辆接近光速的非加速列车旅行，如果没有窗户，这个人无法知道他的速度有多快。以固定速度行进的人与静止不动的人的物理定律应该是相同的。

所以他提出了两个假设，并试图弄清楚如果这两个假设都成立，物理学会是什么样子。假设之一是物理定律对于所有惯性参考系都是相同的。假设二是真空中的光速对于所有惯性参考系都是恒定的

第一个假设几乎是常识，并且已经假设了数百年。然而，第二个假设是革命。光在真空中运动的，我们总是测量到它的速度为每秒 30 万公里，这意味着爱因斯坦永远看不到静止的振荡场。这是爱因斯坦认为协调麦克斯韦方程组与相对性原理的唯一方法。

但是这个解决方案似乎有一个致命的缺陷。想象一下，当火车以每秒 3 万公里的速度呼啸而过时，站在铁路旁的人发射了一束光。铁路旁的人会测量到光束的速度为标准的每秒 30 万公里，但是火车上的人会看到光以每秒 27 万公里的速度行进。爱因斯坦总结说，如果光速在所有惯性系看来都是一样的，那么如何修正火车上的观察者，使他测量得到的光束也是每秒 30 万公里。

这种问题让爱因斯坦思考了将近一年。突然，在 1905 年 5 月的一个早晨，爱因斯坦看到了解决办法。他的思想实验的解决方案是，一个在火车上旅行的人，必须以不同的方式体验时间，相对运动中的观察者体验时间不同！这是革命性的时刻，它彻底颠覆了伽利略和牛顿开创的数百年的经典物理学，认为时间在宇宙中是固定的和绝对的。

爱因斯坦表明时间是相对的，并且在不同的参照系中有所不同。没有以太理论提供的绝对的参考系，因此不再需要以太的概念。这一认识也导致了狭义相对论的其他结论：尺缩效应、动质量、质能方程。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang