光速恆定不變,無論你身處哪一個角落的宇宙,它都以同樣的速度飛馳。關於這一點,難道沒有疑問嗎?
簡單地說吧:沒有答案!光速就是這般行事,或者我們可以將此現象視作一個先驗條件,科學家們所觀察到的光速始終未變,因此將其定為不變。僅此而已,並無其他深意。
讓我們三遍重複這個重點,因為重要的事情值得一再強調:
光速不變原理僅是一種假設!
光速不變原理僅是一種假設!
光速不變原理僅是一種假設!
由於是假設,我們無需探尋其理由,它可以被視為一條公理,無須證實。想像一下,假如你現在是一個女性,你會如何選擇伴侶?
有人或許會說:“這種假設並不正確,我明明是男性,怎會變成女性?”這便陷入了無意義的爭辯中。正如我之前所說,假設之事無對錯之分,只在於你的接受與否,無論你持何種態度,都是無可厚非的。你甚至可以提出自己的假設來取代“光速不變原理”,這完全可行。
然而,科學家們提出的假設並非憑空捏造,它們要麼符合我們的日常認知,要麼符合實驗驗證的結果,而當兩者產生衝突時,我們理應以實驗結果為準則。
科學的根本其實是假設,但這個話題一旦展開,恐怕沒完沒了。
舉個例子,兩點之間直線最短,這是一條公理,同樣可以看作假設,它符合我們的日常經驗,不需要證明也無法最終證明。
而光速不變原理亦是如此,它與我們的日常經驗相違背,但與實驗結果相吻合,我們自然要以實驗為依歸,因為我們的日常認知可能有所局限,這在某種程度上是必然的。
看似討論至此已近尾聲,既然光速不變原理只是假設,似乎沒什麼更多可說的了。
然而並非如此,僅僅說“光速不變原理是假設”並不能讓人心悅誠服,我們還需要探索科學家們為何會提出這種違背我們日常認知的假設。
眾所周知,任何物體的運動都需要參照系來界定其意義,比如我們平時所說的速度,通常預設以地面為參照系,比如高速公路的限速為每小時120公里,這是基於地面參照系的預設設定,因此無需特別說明。
這種認知早已在我們的思維中根深蒂固,它表明運動和靜止都是相對的,並且需要參照系才能有意義,這與我們的日常經驗極為契合。
但是,當麥克斯韋方程組推導出了電磁波的速度,即光速的公式時,人們發現公式中並未涉及任何參照系。實際上,這個公式向人類揭示了一個真理:在任何參照系中,光速都保持不變。
然而,要讓一個世紀前的人們接受這一明顯的結論,卻異常艱難。如今我們之所以能輕鬆接受,是因為我們站在了“全知視角”。
在那個時代,牛頓力學體系的統治地位如日中天,當時的科學界幾乎將牛頓力學視為“神的法則”,絕對時空觀已深入人心。如果光速真的不變,那就意味著牛頓力學的顛覆,這是人們無論如何都無法接受的。
但事實是,麥克斯韋方程組清晰地推演出光速確實是恆定的,那怎麼辦呢?難道麥克斯韋方程組出錯了?
儘管麥克斯韋方程組是新晉理論,但它極其優雅簡潔,甚至被譽為人類歷史上最美的方程組,當時的科學界也不敢輕易否定它。
該如何抉擇?
顯而易見,要麼牛頓經典力學出錯,要麼麥克斯韋方程組有誤,科學界必須做出選擇。但實際上他們難以決定,只能妥協,試圖調解兩者之間的矛盾。
在這種背景下,“乙太”的概念應運而生(雖然古時候也有乙太的說法,但其本質並不同),科學界假定乙太是絕對靜止的參照系,也是光速的參照系,它充滿了整個宇宙空間。
乙太的概念巧妙地調解了牛頓力學與麥克斯韋方程組之間的矛盾,但因為乙太僅是假設,所以它需要實驗的驗證才具有說服力。
於是,科學界的領軍人物開始通過各種實驗搜尋乙太存在的證據,著名的邁克爾遜莫雷實驗便是在這樣的背景下誕生的。
然而,實驗結果表明乙太並不存在(具體實驗過程在此不作贅述)。面對這樣的結果,邁克爾遜和莫雷兩人實際上並不相信,他們更願意相信實驗過程出了問題或者儀器精度不足,也不願相信乙太確實不存在。
因為他們明白“乙太不存在”意味著什麼,它意味著絕對時空觀和牛頓力學體系的崩潰,這是他們無論如何都不能接受的。
於是,邁克爾遜和莫雷兩人反覆改良實驗,力求在實驗過程中查漏補缺,但結果始終一致:乙太並不存在。
按理說,結果已經很明瞭了:直接承認乙太不存在即可。但之前我也提到,不要用現在的思維去評判一個世紀前的科學認知。即使實驗結果清晰,邁克爾遜和莫雷兩人始終不願承認乙太不存在。
從中我們可以看到,顛覆人們內心深處根深蒂固的理論是多麼困難!
這裡要強調,邁克爾遜莫雷實驗並未證明光速不變,只是證明瞭乙太不存在。即使實驗真的證明瞭乙太的不存在,當時的物理學界也無法接受,他們仍試圖通過各種手段來調解,以保證乙太的存在。
比如,洛倫茲假設在運動方向上乙太會收縮,這樣既能維持乙太的存在,又能調解牛頓力學與麥克斯韋方程組之間的矛盾,並由此推導出了著名的洛倫茲變換。
但為了維護乙太的地位,科學界不得不做出更多的假設和複雜的數學推導,而任何一個假設出現問題,都可能徹底顛覆乙太的概念,這意味著每個假設都像是一枚定時炸彈,隨時可能引爆。
然而愛因斯坦的膽識過人,直接用“奧卡姆剃刀原理”否定了乙太的存在,如果乙太不存在,人們就不必再費力地保全它。因此,愛因斯坦大膽提出,光速就是恆定的,不需任何參照系。
基於光速不變原理和相對性原理,愛因斯坦提出了輝煌的狹義相對論。
任何科學理論都建立在假設之上,假設越少越好。而愛因斯坦僅用兩個假設就推演出了狹義相對論。
後續的無數實驗也證實,光速不變原理與人們的觀測結果相符,一個多世紀過去了,科學家們並未發現相對論被證偽的證據。