第9章 萬物理論 (1)

宇宙的最不可理解之處是它是可理解的。

——阿爾伯特·愛因斯坦

因為宇宙由科學定律製約，也就是說，它的行為是可以被做成模型，所以說是可理解的。但是這些定律或者模型是什麽？引力是被用數學語言描述的第一種力。牛頓的引力定律於1687年發表，它講宇宙中的每個物體都吸引任何其它物體，其吸引力和它的質量成正比例。因為它首次展示了至少宇宙的一個方麵可被精確地做成模型，而且它還為此建立了數學體係，所以給那個時代的智慧生活留下深刻的印記。存在自然定律的觀念提起了類似於大約五十年前伽利略被裁決異端類似的問題。例如舊約裏的故事說，約書亞祈禱上帝讓日月止步使之有額外長的白晝，他得以在迦南結束對亞摩利人的戰爭。根據約書亞記，太陽靜止不動了大約一天。我們今天知道那就意味著地球停止轉動。如果地球停止，那麽根據牛頓定律任何沒被束縛的東西都會以地球原先的速度(在赤道是每小時1100英裏)保持運動——為了延遲日落要付出高代價。牛頓本人對此毫不在乎，正如我們說過的，牛頓相信，上帝可以並確實幹涉宇宙的事物。

電力和磁力是其定律或模型被發現的宇宙的第二個方麵。這些力的行為類似引力，但具有重大差別，兩個同類的電荷或同類的磁鐵互相排斥，而相異電荷或相異磁鐵相互吸引。電磁力比引力強烈得多，但因為宏觀物體包括幾乎等量的正負電荷，所以我們日常生活中通常覺察不到它們。這意味著，兩個宏觀物體之間的電磁力幾乎被完全相互抵消，而不像引力那樣，它們全部疊加。

我們現在有關電學和磁學的觀念是在十八世紀中期到十九世紀中期大約一百年間發展起來的，那時幾個國家的物理學家對電磁力進行了仔細的實驗研究。其中一個最重要的發現是電力和磁力是相關聯的：一個運動的電荷對磁鐵施力，而且一個運動的磁鐵對電荷施力，丹麥物理學家漢斯·克裏斯蒂安·奧斯特首先意識到存在某些關聯。當奧斯特在1820年在給大學講演做準備時，他注意到從他正使用的電池釋放出的電流使鄰近的指南針轉向。他很快意識到運動的電產生磁力，並創造了新詞“電磁學”。幾年之後，英國科學家邁克爾·法拉第推斷——以現代術語表達——如果電流能引起磁場，那麽磁場也應能產生電流。他於1831年展示了這個效應。14年後法拉第展現了強磁性會影響極化光的性質，還發現了電磁學和光之間的聯係。

法拉第隻受過很少正式教育。他出生於倫敦附近的一個貧窮的鐵匠家庭，13歲時輟學在書店跑腿和當裝訂工。他在那裏多年，從閱讀要他照應的書裏學到科學，並在閑暇進行簡單而便宜的實驗。他最終在偉大的化學家漢弗利·戴維爵士的實驗室中得到一個助理的工作。法拉第生命中餘下的45年全部在此度過，在戴維死後，他繼承其位。法拉第在數學方麵有困難，並且終其一生都對數學所知甚少，所以對他而言，為在自己實驗室裏觀察到的奇特的電磁現象構想出理論圖像，無異是一場搏鬥。盡管如此，他還是成功了。

法拉第的最偉大的智慧創新之一是力場的觀念。這個時代，多虧有關眼球突出的外星人及其星際飛船的書籍和影片，大多數人已熟悉這術語，這樣也許他應得到版稅。但是在牛頓和法拉第之間的幾個世紀中，物理學的最大奧秘是，物理定律仿佛指明，力越過將相互作用的物體間隔開來的空虛的空間而作用。法拉第不喜歡這個，他相信，去移動一個物體，必須有某種東西和它接觸，這樣他想象在電荷和磁鐵之間的空間充滿了看不見的管子，這些管子實實在在地在進行推拉。法拉第把那些管子稱作力場。想象力場的一種好方法是進行教室演示，把一塊玻璃板放在磁鐵棒上，在玻璃上撒開鐵屑。隻要輕敲幾下以克服摩擦，猶如被看不見的力量輕推而移動，鐵屑就將自己按一種弧線條紋排列，這弧線從磁鐵的一個極伸展到另一極。那個條紋是穿透空間看不見的磁力的一張地圖。現在我們相信所有的力都由場來傳送，因此它是現代物理，也是科幻小說的一個重要概念。

幾十年間，我們對電磁學的理解停滯不前，總共不過是一些經驗定律的知識：電學和磁學緊密但神秘相關的暗示；它們和光有某種聯係的見解；以及場的萌芽概念。至少存在十一種電磁學理論，每一種都有瑕疵。然後，在1860年代的幾年間，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋將法拉第思想發展成數學框架，因此解釋了電學，磁學和光之間的本質的神秘的關係。其結果是一組方程，它把電力和磁力都描述成同一物理實體，電磁場的表現。此外，他還證明了，電磁場能夠作為波通過空間傳播。波速是由出現在他方程中的一個數製約，他從早幾年測量過的實驗數據計算出這個數。令他驚異的是他計算出的速度等於光速，那時已知光速在實驗上精確到百分之一。他發現了光本身就是電磁波！

今天描述電磁場的方程被稱作麥克斯韋方程。很少有人聽到過它們，但它們也許是我們知道的在商業上最重要的方程。它們不僅製約從家電到電腦的一切運行，還描述除了光之外的波，諸如微波，射電波，紅外光，和X射線。所有這些和可見光隻在一個方麵有差別——它們的波長。射電波的長波為一米或更長，而可見光波長為千萬分之幾米，而X射線的波長比億分之一米還短。我們的太陽在所有波長上輻射，但是其輻射強度在我們可見的波長上最大。我們用肉眼能看到的波長是太陽最強烈輻射的那些，這也許不是碰巧：很可能是，正是因為這恰好是肉眼獲得最大的輻射範圍，所以我們的肉眼演化成具有檢測該輻射範圍的能力。如果我們遇到其它行星來的生物，他們也許具有看到在他們自己的太陽最強烈發射的不管什麽波長上的輻射，這種輻射受到在他們行星大氣中諸如灰塵和氣體的遮光特性的因素的調製。這樣，在X射線存在下演化的外星人從事機場安檢可以非常稱職。

麥克斯韋方程要求電磁波以大約每秒30萬公裏或者約每小時6億7千萬英裏的速度旅行。但是除非你能指明一個參考係，相對於這個參考係來測量這個速度，否則引述一個速度沒有任何意義。這不是你在平時通常需要考慮到。當速度限製標誌寫著每小時60英裏時，那是指你的速度是相對於路，而非相對於銀河係中心的黑洞來測量的。但是即便在日常生活也存在有你要考慮參考係的場合。例如，如果你持一杯茶在飛行中的噴氣式飛機走道走動，你會說你的速度是每小時兩英裏。然而地麵上的某人會說，你正在以每小時572英裏的速度運動。為了避免你以為那些觀察者中的一位或其他更有權擁有真理，記住因為地球圍繞著太陽公轉，而某位從那個天體表麵看著你的會和你們二位都不同意，並且說你大約以每秒18英裏的速度運動，更不用說嫉妒你的空調。根據這種分歧，當麥克斯韋宣布發現從他的方程湧現出“光速”時，就自然地產生了問題，麥克斯韋方程中的光速是相對於什麽而測量的？

沒有理由相信麥克斯韋方程中的速度參數是相對於地球測量的速度。他的方程畢竟適用於整個宇宙。有一時期被考慮到的另外一種答案是，他的方程指明的光速是相對於一個之前未被檢測出來過的穿透整個空間的媒質。這個媒質被稱為傳光的以太，或者簡短地就稱為以太。這是亞裏士多德相信充滿地球之外的整個宇宙的物質，為這種物質取的術語。電磁波通過其中傳播的媒質可能會是這種假定的以太，正如聲通過空氣傳播一樣。如果以太存在的話，就有一個靜止的絕對標準(那就是，相對於以太靜止)並因為也存在一個定義運動的絕對方式。以太就會為遍及宇宙整體提供一個優越的參考係，相對於它可測量任何物體的速度。這樣從理論的依據假定了以太的存在，並使一些科學家去尋找一種研究它的方法，或者至少去確認其存在。其中的一位科學家便是麥克斯韋本人。

如果你對朝著聲波穿越空氣疾走，波就較快地向你接近，而如果你疾走離開，波就較慢地向你接近。類似地，如果存在以太，光速就會依你相對於以太的運動而變化。事實上，如果光的行為和聲一樣，正如搭乘超音速噴氣式飛機的人永遠聽不到從飛機後麵來的任何聲音，因而足夠快穿越以太運動的旅客也能夠跑得比光波更快。從這類考慮開始研究，麥克斯韋建議一個實驗。如果存在以太，那麽在地球圍繞太陽公轉時，它必須穿越它運動。並且由於地球在一月份旅行的方向和例如四月或七月比不同，人們應能觀測到在一年的不同時期光速的微小差別。

皇家學會會刊的編輯說服麥克斯韋不要發表他的思想，他認為的該實驗行不通。但在1879年，在他48歲死於痛苦的胃癌之前不久，麥克斯韋就這個主題致信一位朋友。這封信在他死後發表於《自然》雜誌。一位名叫阿爾伯特·邁克耳孫的美國物理學家是從那裏讀到此文的其中一人。從麥克斯韋的猜測獲得靈感，邁克耳孫和愛德華·莫雷於1887年實現了一個非常靈敏的實驗，這實驗是設計來測量地球穿越以太的速度。他們的想法是比較兩個成直角的不同方向的光速。如果相對於以太的光速是一個固定的數，那麽測量就應該揭示出依光束方向而不同的光速。但是邁克耳孫和莫雷沒觀測到這種差別。

邁克耳孫和莫雷實驗的結果很顯然與電磁波通過以太傳播的模型相衝突，而且應該把以太模型拋棄。但是邁克耳孫的目的是測量地球相對於以太的速度，不是去證明或證偽以太假設，而他的發現沒有使他得出結論，以太不存在。也沒有其他人得出那個結論。事實上，1884年著名的物理學家威廉·湯姆孫爵士(開爾文勳爵)說：“以太是動力學中我們確信的僅有物質。有件事物我們確信無疑，那就是傳光以太的實在性和本體性。”

你怎能不顧邁克耳孫——莫雷實驗結果還繼續確信以太呢？正如我們說過，經常發生的事是，人們利用不自然的特別的附加物試圖挽救模型。有些人假定地球拖曳以太跟著它走，這樣我們實際相對於它沒有運動。荷蘭物理學家亨利克·安東·洛倫茲和愛爾蘭物理學家喬治·弗朗西斯·菲茲傑拉德建議，在一個相對於以太運動的參考係中，也許由於某種還未知的機械效應，鍾會變慢而距離會縮短，所以人們仍然測量光具有相同速度。這種挽救以太概念的努力幾乎繼續了二十年，直至一位在伯爾尼專利局的年輕不知名的職員阿爾伯特·愛因斯坦發表一篇非凡的論文。

當愛因斯坦於1905年發表他的題為“論動體的電動力學”論文時，他才26歲。在該論文中，他做了一個簡單的假設，物理定律，尤其是光速對於所有均勻運動的觀察都應該顯得相同。結果，這個觀念需要我們有關空間和時間概念的一場革命。為了知道為何，想象兩個在噴氣式飛機的相同地方但在不同時刻發生的事件。對一位在飛機上的觀察者而言，那兩個事件之間具有零距離。但是對於在地麵上的第二位觀察者這兩個事件被分開的距離是飛機在兩個事件之間的時間裏旅行的距離。這顯示了，兩位相對運動的觀察者在兩事件的距離上意見不同。

現在假定這兩位觀察者觀察從機尾向機頭旅行的一個光脈衝。正如在上例中的，對於光從它的機尾發射直至在機頭吸收旅行的距離，他們相互不同意。由於速度是旅行距離除以所用的時間，這意味著如果他們在脈衝旅行的速度——光速——上同意，他們就對在發射和吸收之間的時間間隔上不同意。

在這裏使事情變得奇怪的是，盡管兩位觀察者測量不同的時間，他們卻在看相同的物理過程。愛因斯坦沒有企圖為此建立一個人為的解釋。他得出一個邏輯但卻驚人的結論，花費時間的測量，正如旅行距離的測量，依賴於進行測量的觀察者。這個效應是愛因斯坦1905年論文中的理論關鍵之一。這個理論被人稱作狹義相對論。

如果我們考慮兩位觀察者看著一個鍾，我們就能看到這個分析如何應用於計時儀器。狹義相對論認為，依據相對於鍾靜止的觀察者，鍾走得較快。對於相對於鍾非靜止的觀察者，鍾走得較慢。如果我們將一束從機尾向機頭傳播的光脈衝比喻作鍾表的滴答聲，我們看到，對於一位地麵上的觀察者該鍾走得較慢，因為光速在那個參考係中必須旅行較大的距離。但這個效應與鍾的結構無關；它對所有的鍾，甚至我們自己的生物鍾都成立。