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 齐绩 （qiji8111@yahoo.com.cn） 2007.09
第二部分 ：历史的思索
历史是一面镜子.
了解了历史，了解了物理学的发展过程，我们才能站在更加冷静客观的角度去看待物理，看待物理学的发展.
大家知道，经典物理和相对论的时空观是完全不同的，那么为什么会产生相对论呢？我和大家一起回顾一下历史.
十九世纪末，经典物理的大厦已经十分完善地建立起来了，但是随着人们对光的研究，有很多实验和现象使经典物理产生无法克服的矛盾.
大家知道，声波和机械波都依赖于媒质传播，那么光是否依赖于媒质传播呢？当时，科学家们认为光是依赖于一种叫“以太”的媒质传播的.
声波和机械波的传播速度与波源速度无关，光速是否依赖于光源速度呢？
由于光速极大，在地球上无法直接测量，只能求助于天文观测.
2. 1双 星 现 象
 在离我们地球遥远的星际空间里，存在着一种被称为双星的天体系统，它由两个恒星W和H组成，相互绕着它们共同的质心O转动，对其中每一颗星来说，都在做近似圆周运动，如图2. 1所示.
      现在观察其中的一颗W星（图2. 2），当它在位置a时，是朝我们地球而来；在b时，离我们而去. 如果W星的轨道速度为 ，并且假设光传播时带有光源的速度，那么，在地球上测到的W星在a点发出的光相对于地球的速度为 ，而W星在b点发出的光相对于地球的速度为 .
可见，在a点发出的光将比在b点发出的光跑得快. 就算不太大（比 小得多），但因W星离我们很远，因此，总可以假定W星在b点发出的光到达我们的眼睛时，它从b点经过一段时间（半周期）运动到a点时所发出的光也赶到了，我们将同时在a、b位置上看到有两颗W星.
假如在某一时刻在两个不同的地方看到同一颗星，这就是所谓“魅星”.
一般情况下不一定同一颗W星在轨道两端出现，但只要光速依赖于光源速度，则我们预期总能看到“魅星”出现，并且会观察到双星轨道有明显的畸变.
事实上，天文观测到的双星系统都很正常，从未看到过“魅星”
，这表明图2. 2中W星在a和b点发出的光相对地球的速度是一样的.
所以根据观察，人们断定光速与光源的速度无关.
  2. 2光行差现象
在地球上用望远镜观测遥远的任意一颗恒星，发现在地球轨道的不同位置上，我们用以观察的望远镜方向在一年内有周期性的变化.
 
图2. 3 图2. 4
如图2. 3所示，假如星光射来的方向固定，则当地球在位置a时，望远镜需朝下偏一个角度 ； 当地球在位置b时，望远镜需朝上偏一个角度 . 如果a、b 位置使星光与望远镜方向组成的平面都与地球轨道平面垂直，则 . 在一般位置上， 角的大小要变化. 这在观测上表现为一颗恒星一年内在天球上画出一个很小的椭圆形轨迹，这就是光行差现象.  
物理学家们如何解释这种现象呢？我们举一个常见的例子. 在无风的下雨天，虽然雨是垂直下落的，但在行驶的车里观察，您会看到雨丝倾斜着向后飘落.
这就不难理解光行差现象了.
如图2. 4所示，设恒星发出的光以速度垂直与地球的轨道平面，则望远镜必须倾斜一个 角，以保证进入望远镜筒口的光经过 时间后到达筒底，被我们的眼睛看到，而不至于被筒壁挡掉.
从图上可以看出
在实际观测中，这个最大的 角约等于 弧度，刚好等于地球绕太阳的轨道运动速度除以光速.
物理学家们认为：光相对“以太”的速度是恒定的 ，而“以太”和“绝对空间参考系”是完全对应的.
所以，物理学家们不得不接受这样的图画：太阳系就是对应于“以太”静止的参考系，地球在这个“以太” 海洋中以 的速度运动，完全没有带动“以太”.
人们不禁觉得奇怪：
为什么太阳恰好在对应“以太”的绝对参考系内静止呢？太阳不过是个很普通的恒星.
为什么太阳能够完全带动“以太” ，而地球又完全不能带动“以太”呢？
2. 3裴索实验
 1851年，斐索做了一个非常巧妙的实验，如图2. 5，S是光源， 是镀银的（即半
反射半透明的）玻片， 、
 、 是反射镜，T是观察望远镜，有一个弯曲的水管其水平部分内部水的流动速度为
. 从
S
发出的光经过
时
被分成两束，一束被反射，
经反射镜、、、而到达T，另一束透过经反射镜、、再透过而到达T . 它们通过管中流水时，前一束光与水流方向相反，后一束光则与水流方向相同，两束光在T内发生干涉.
实验开始时，使水流速度为0，由于两束光的光程相同，干涉条纹是明亮的. 然后使水流速度逐渐增大，观察到干涉条纹有明暗交替的变化，这表示光在水流中相反的方向传播的速度不一样了，由条纹变化的数目可以确定在水中传播的光相对于地球的速度.
斐索实验中测量的在水中传播的光相对于地球的速度是
（2. 4）
式中“+”表示光顺着水流的情况，“-”表示光逆着水流的情况.  是水的折射率.
其中， ，比1小.
……
斐索实验非常巧妙而精确，它反映出水可以带动“以太”，然而不能完全带动“以太”，而是使“以太”被曳引着以较慢的速度前进.
2. 4艾里实验
光行差现象得的结论是：地球在这个“以太” 海洋中以的速度运动，完全没有带动“以太” .
斐索实验得的结论是：水可以带动“以太” ，然而不能完全带动“以太” .
既然水可以带动“以太”，既然水可以带动光；那么把望远镜中灌满水，我们将会看到与无水时不同的光行差现象，也就是说望远镜的偏角将会明显减小.
在1871年，艾里在望远镜中灌满了水，可是艾里仍然观察到与无水时一样的光行差现象.
这与前面的实验推论是相互矛盾的.
2.
5 迈克尔逊—莫雷实验
光行差现象得的结论是：地球在这个“以太” 海洋中以的速度运动，完全没有带动“以太” . 形象地说，相当于地表上刮着的“以太风” .
1876～1887年间，阿尔贝特·迈克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验. 目的是测量地球在以太中的速度. 或者说想测量地表上的“以太风” .
如图2. 6，光源发出的单色光，经一半反射半透明玻片分成两
束，两束光分别被反射镜反射最后汇聚到望远镜中，假设“以太”
相对地表的速度为.
则水平的两束光相对地表的速度分别是
 ，
而竖直的两束光相对地表的速度都是
水平一束光来回所用时间 为
竖直一束光来回所用时间 为
两束光的时间差为
于是，两束光的光程差为
若把整个仪器旋转 ，则前后两次的光程差为 ，在此过程中，
望远镜中应看到干涉条纹移动 条.
实验中用钠光源， ；地球的轨道运动速率为 ；干涉仪光臂长度为11m .
应该移动的条纹为0. 37条.
干涉仪的灵敏度，可观察到的条纹数为0. 01条. 但实验结果是几乎没有条纹移动.
也就是说：地表上根本找不到以太风.
这与前面的光行差现象又产生深刻的矛盾.
……
上述所有实验和现象相互矛盾，使经典物理产生极大困难.
2.
6 物理学家们的努力
那么，如何理解迈克尔逊-莫雷实验的零结果呢？
1892年，荷兰物理学家洛仑兹先后提出洛仑兹-斐兹杰拉收缩假设，他们认为长为 的物体当它相对于“以太”以速度运动时，长度将收缩到 ；这样就可以解释迈克尔逊-莫雷实验的零结果了.
不仅如此，他还引进了运动参考系中的“局部时间”
（ ）概念，甚至导出了时空坐标变换关系——洛仑兹变换.
法国物理学家彭加勒在某些方面甚至比洛仑兹走得更远，他引进了四维时空观念及相应的一套处理方法，提出了物理方程对洛仑兹变换具有不变形式. 他说：“物理现象的规律，按照相对性原理，应该是一样的，不管一个观察者是固定的或者他是在做匀速直线运动，因此我们从没有也不能有任何方法分辨我们自己是否在做这样的一种运动. ”——这种表述就是后来爱因斯坦提出的“相对性原理”
.
英国物理学家拉摩在1900年左右也推出了洛仑兹变换，并提出必须抛弃“以太”的机械观念.
爱因斯坦是所有上述观念的集大成者，他抛开了“以太” 的观念，而代之提出了 光速不变原理——“任意一条光线在‘静止’坐标系中总是以恒定的速度c运动，不管这条光是由静止的还是由运动物体发出的. ” ，这当然可以很好地解释迈克尔逊-莫雷实验的零结果；而且他彻底改变了时间、空间的客观性.
坦率地说，这些物理学家包括爱因斯坦并没有找到物理学真正的弊端，而是使物理学在脱离实际的道路上越陷越深了！！！
其实，经典物理学家们提出“以太”的出发点是非常好的！
——任何波动都需要媒质来传播，声波也好、水波也好、机械波也好等等都需要媒质传播.
光既然是波动，理应需要媒质，所以前人提出“以太”是很和逻辑的推理.
但是，前人们把“以太”看得太机械了，使它与“绝对空间参考系”完全捆绑在了一起，而且它也没有质量. ——整个“以太”相对于“绝对空间参考系” （即宇宙中心）都是静止的，而且各处状态一样.
这份牵强、这份机械在大量实验事实面前不可避免会带来重重矛盾.
……
爱因斯坦处理的方法是否合理呢？
爱因斯坦认为光不需要“以太” ，但是他确使光拥有了非常奇妙的特性.
——光就需要参考系！光相对于任何惯性参考系的速度就是恒定的，就是c .
朋友们，这说来是不是有点可笑呢？！
光和空虚的空间参考系有什么必然的联系呢？物理规律和空虚的空间参考系有什么必然的联系呢？
2.
7 一点疑问？
第一
注意，我们是在地球这个惯性参考系观测遥远恒星射来的光，既然光相对于任何惯性系的速度都是恒定的；而且，光速不依赖于光源速度；那么我们不该观测到光行差现象！请问，光行差现象和艾里实验该怎么解释呢？
第二
既然“光相对于任何惯性系的速度都是恒定的”已经不需要理由地成为定理！那说明光和惯性系有着非常铁、非常顽固、无法割裂的关系！
那为什么区区一点水流就会对光有曳引现象呢？为什么介质的运动会带动光呢？
第三
既然人们如此看重迈克尔逊-莫雷实验，既然“光相对于任何惯性系的速度都是恒定的” ，那么所有迈克尔逊-莫雷实验都必须是零结果.
而事实呢？人们在不同空间得到了迈克尔逊-莫雷实验的非零结果.
[密勒实验]
……
1902-1904年，密勒和莫雷在地表用更精密的仪器做迈克尔逊-莫雷实验，实验结果比1887年迈克尔逊和莫雷所得更接近于零.
后来，密勒超出了地表空间，得到了不同寻常的结果.
到了1921年,密勒把迈克尔逊-莫雷实验装置安在威尔逊山上进行，所用方法和以前一样，但实验发现有10Km/s的正效应，也就是说光相对于地球在以10Km/s的速度做漂移运动.
为了证实这一点，他采取了多种措施，包括撤换铁磁材料，用水泥座代替钢架，用铜、铝代替钢铁；将光源隔开，以防温度变化；并采用不同的光源；甚至故意用电炉加热以试验温度的影响等等……
密勒还是得出确切的结论——光相对于地球在以10Km/s的速度做漂移运动.
——摘自《著名经典物理实验》郭奕玲、沈慧君，北京科学技术出版社.
可以说这个实验是对光速不变原理的直接否定！
密勒——担任过美国全国物理学会的主席，是美国科学院院士.
2.
8爱因斯坦晚年的一些想法
爱因斯坦本人的一些想法，尤其是他晚年的一些想法是值得我们深思的！
爱因斯坦在创建狭义相对论时否定了“以太”，在创立广义相对论时就已经意识到：“没有‘以太’的空间是不可思议的，因为在这样的空间里，不但光不能传播，而且标尺和时钟也不能存在. ”
……
1952年，爱因斯坦在《狭义于广义相对论浅说》的序言中补充说：“空间-时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西. 物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延性. 这样，‘空虚空间’这概念就失去了它的意义. ”
——可以说爱因斯坦已经意识到空间有某种物质存在着，这种物质和物理规
律有着必然的联系！
……
爱因斯坦在七十寿辰写信给老友M. 索罗文回顾自己的科学历程时几近无奈和悲哀：“我感到在我的工作中没有任何一个概念会很牢固地站得住的，我也不能肯定我所走过的道路一定是正确的！”
——在人类历史上，大物理学家在晚年如此评价自己工作的大概仅此一例！
……
爱因斯坦的这种实事求是的精神是非常值得我们尊重和学习的！
在晚年的时候，爱因斯坦已经深深体会到了自己给物理学带来的偏差，他敢
于承认和面对自己的错误.
因为他不希望人类在科学探索的道路上走更多的弯路
朋友们，我们在更客观、务实的基础上重新审视物理规律，将使所有实验变得非常自然、融洽，将使物理规律更加客观、切实，我深信这足以告慰所有热爱真理的前辈包括爱因斯坦先生的在天之灵.
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