part1 第一章 科学的滥觞 1.1 懵懂 1.2 怀疑 1.3 理性 1.4 起步 1.5 开路 第二章 晕死人的时间 第三章 我们应该怎样认识世界 第四章 所谓常识 4.1 怎样知道地球是球形 4.2 怎样知道地球不是宇宙中心 第五章 苹果传奇 第六章 所谓科学理论

part2 第七章 牛顿的宇宙 7.1 运动VS力 7.2 时间的困惑 第八章 智慧之光（上） 路线与战争 8.1 光程迷踪 8.2 波粒大战 第九章 智慧之光（下） 速度与激情 9.1 极速追踪 9.2 百川归海

part3 第十章 相对论前传（上） 暗夜传说 10.1 以太 10.2 一个失败的实验 10.3 一例显而易见的观测 10.4 一个艰难的决定 10.5 两片乌云 10.6 牛顿的时空观 10.7 马赫的批判 第十一章 相对论前传（下） 天际微白 11.1 伽利略相变换 11.2 群雄逐鹿 11.3 鹿死谁手

part4 第十二章 狭义相对论（上）曙光 12.1 追光 12.2 论动体的电动力学 第十三章 狭义相对论（下） 新世界 13.1 时间膨胀 13.2 质能关系 13.3 四维时空 13.4 光障VS中微子

第十章 相对论前传（上） 暗夜传说

麦爷的电磁理论一建立，就与牛爷的力学理论发生了冲突。

两个理论在各自的领地里，明君圣裁，无一错漏，所囊括的自然现象，都乖乖地臣服在他们的定律和公式之下，看起来都是那样完美，完美到令人震撼，不忍分毫撼动，不容些许亵渎。

然而，这两个完美的理论，却互不相容。

超距作用+光速固定。两个问题，都是针尖对麦芒。

问题虽少，却都是根子上的东西，错了，再华贵的宫殿都得推翻重盖，修修补补，往往于事无补。

不是说好了吗，和平共处，互不干涉内伤。

可是，你的那个伤得很厉害啊。

我会有伤？我自古以来就是没伤的，从前没有，现在没有，将来以及永远都不会有，我唯一的问题，就是别人看我有问题！

......

10.1 以太

超距作用先按下不表，单说光速问题。

为了解决这一矛盾，人们提出（注意这个词）一种叫做“以太”的东西，这种看不见摸不着的物质被定义为“无所不在”（如果再加上“无所不能”就是上帝了），甚至连“空虚的”真空中也有。

以太源于希腊语，原意为上层的空气，属于特供，专给神仙呼吸用的。

笛卡尔最先把以太引入科学，因为他认为，物质之间的所有相互作用，都必须通过某种媒介来传递，所以任何空间都不可能一无所有，它应该被某种东西所充满，这种东西就叫做以太。

但是，由于那时有没有以太都无所谓，大家都过得去，反正也不能当饭吃，所以不以为意。

现在不同了，以太不是能否当饭吃的问题了，它已然成了经典力学理论用来解释光速现象的救命稻草，大家七手八脚地把它从记忆的角落里翻了出来，掸掸灰，洗洗澡，还没来得及刷牙，就匆忙把它推向前台，并且给了它弄了一份新的考核材料：

以太同志早在17世纪就在笛卡尔的介绍下参加了革命。它信念坚定，虽然一度受到冷落，但它始终相信组织，始终没有停下理想的脚步。在匪夷所思的思想支撑下，经受住了组织对它长达两个世纪的严酷考验，终于等到组织遇到困难的这一天！在革命最危急的时刻，它不顾一切，挺身而出，力挽狂澜，用卓越的贡献回报了组织的培养。以太虽然看不见、摸不着、找不到，但事实证明，它是特殊材料制成的，它不是液体、不是固体、也不是气体，它是连续的、均匀的。而不像普通的物质那样，是由一粒一粒原子呀什么的构成的，杂乱无章，从本质上就作风涣散无组织无纪律。以太几百年如一日，默默无闻地承载和传递着光、电、磁、辐射热等不可捉摸的东西，并甘当它们的固定参考系，任劳任怨，恪尽职守，严于律己，绝不越雷池一步，发挥了不可替代的重要作用。

因为以太“无所不在”，一切物质都在其中，所以可以将它视作“固定”的东西，一切运动都是在它里面发生的。这就解决了参照系的问题。当时的科学界为此深受鼓舞，他们觉得，任何东西传播，最好有一个媒介负载它，否则感觉怪怪的，如：声波通过空气传播，水波通过水传播，各种振动波都通过被振动的物质传播……所以，光通过以太来传播，就是一件大快人心的事了。于是，科学家们很快确立了以太理论：相对于不同的观察者，光速不同；相对于以太，光速固定。

该措施一举解决了“固定速度”与“不存在静止参照物”的矛盾，看上去很美。让我们来感受一下：

在那遥远的地方，有个小亮光，它以光速穿越以太，向咱俩扑来。

我坐在以太里左顾右盼观察生活，大千世界，国情似雾，美女如云啊！

而你，却兴奋地迎着光，娇声咤道：“光儿，你别动，让我飞奔过去！”说着穿越以太向它狂奔，秀发在风中凌乱。

那么，根据以太理论，你我测到的光速是不同的：

你迎着光跑，测到的光速，就是你和光各自穿越以太的速度之和。这没问题吧？

我坐着不动，测到的光速，就是光自己穿越以太的速度。这更没问题吧？

这个设想听起来知书达理的，令人心头为之一动，顿生倾慕之情，恨不能立马验证以谢之。

可是，这实验做起来太难，因为光速和我们的速度差距，不是一般的大，我们来看看人类创造的高速究竟能达到多少：

布加迪威龙：极速407公里/小时，即0.11公里/秒。

波音787：1050公里/小时，即0.29公里/秒。

河南禹州某农民的超级拉沙大货车：1419公里/小时，即0.39公里/秒。

SR-71 Blackbird（不败传说——黑鸟）：3.5倍音速，即1.19公里/秒。

X-43A飞行器（试验阶段）：10倍音速，即3.4公里/秒。

子弹（取最快值，即枪口初速）

手枪、冲锋枪子弹： 0.3公里/秒或更低（还不如咱国大货车）。

步枪子弹：0.9公里/秒。

狙击步枪、重机枪子弹：1公里/秒。

光速：299792.46公里/秒（注意小数点以后的那两个数，和波音787比比看）。

好像没什么可比性，我们运动的那点点速度放在光速里，不忽略也可以不计，要测出这个小到几乎没有的差异，你不想则已，越想越绝望。

得不到实验的证明，再美丽的理论都是浮云，何况，这还不是神马美丽的理论，而只是为了解决光速问题，匆忙拉出来救场的以太。一个龙套，突然要当角儿，还想无证上岗，你当观众白痴啊？！

我站在，猎猎风中，恨不能，荡尽绵绵心痛……差异，差异！怎么能准确测出这个杀千刀的小差异？！

10.2 一个失败的实验

历史告诉我们，救星总是出现在最黑暗的时刻。绝望归绝望，只要不自绝，奇迹总会像咱家统计数据一样从天而降。

但是，科学上的奇迹，可不是随便什么智商的人拍拍脑门那么简单。这里有个故事，我长话短说：

甲乙两个香皂厂，都进口了同样的生产线，生产效率明显提高。但生产线终端存在一个问题：总有个别香皂盒漏装香皂，导致空香皂盒被装箱出售，客户表示此事很坑爹。下面是两个厂的解决办法：

甲厂，厂长联系了一家专业机构，经技术攻关，发明声纳探测装备，探测到是空盒，机械手就根据探测定位，抓到空盒，放进空盒收集箱。真正的高科技啊，花费几十万，并且还没算使用期间的维修保养费用。

乙厂，厂长对终端负责人说，老张，你琢磨琢磨，看看这事咋办。老张回去琢磨一宿，第二天拿来一台风扇，对准成品输出的传送带，对面放一个大盆。于是传送带上的空盒都被风扇吹到大盆里去了。老张受到表扬，拿着1000块钱奖金高高兴兴回家显屁去了。

这里的关键是两个字：思路。

复杂的事情，不一定非要复杂的方法去解决。解决同一个问题，方法越简单，说明这个思路越好。这需要灵感。偶尔闪出灵感的人，是聪明人，经常闪出灵感的人，是牛人。

1887年，牛人出现了，阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊（美国物理学家），一个是爱德华·莫雷（也是美国物理学家）。

迈克尔逊是个真正的专家，他以毕生精力从事光速的精密测量，在他的有生之年，一直是光速测定的国际中心人物。

他解决速度问题的手段很简单，利用地球公转的速度。牛人啊！

地球公转速度是30公里/秒。虽然这与光速相比，仍然微不足道，但这是人力无法企及的，重要的是，这个速度足以测出人们梦寐以求的“差异”了。

这根据以太理论，以太应该是充满空间、静止不动的，那么，地球在公转时，就应该有“以太风”存在。很好理解吧，在没有风（空气不流动）的日子里，我们骑着单车，都会感觉到清风拂面，你蹬得越快，风速越大。

30公里/秒，这就是“以太风”的速度。然而，以太属于特供，它不屑跟普通物质发生任何关系，所以神马仪器也没法直接测出以太风的存在，也就没法证明以太的存在。

好在它是光的载体，又是唯一可以让光速“固定”这个说法成立的参照物，所以只有通过测量光来证明之，试验成功，就一箭双雕：1.以太存在；2.光速相对以太固定。OK，牛爷与麦爷握手联盟，世界和平了，物理定律统一，鲜花盛开，阳光明媚，历史翻开灿烂的新篇章……多么美妙的前景啊，都给咱俩听出鼻涕泡了。擦擦，先搞定实验再说。

由于相对于光速而言，地球公转的速度也是极其微小的，所以，要测出这个差异来，需要十分精确的设备。

因此，这是一个既精细又困难的实验。他们是怎样做到的呢？

要是我，就首先要在天空中找到一颗特定的星星做光源——当然就是当初我答应送给老婆的那颗，地球在公转中，运动方向有时迎向光源，有时背离光源，有时与光源成夹角——成直角时，可视为地球与光源的运动相对静止。这样，就能测出不同情况下，光速的变化了。

可是你一拍大腿，欠扁地告诉我，这个方案理论上可行，但实际操作起来很难很麻烦。因为，那颗星星的光一直在朝我们源源不断地射来，没有时间间隔，光上也没有记号，想精确测量它的速度太难了！都无从测起。如果找一颗已知距离的天体当遮挡物，利用遮断时间和已知距离来测速度，也存在一个大问题：遮挡物离地球的距离需要十分精确才行！因为对光速来讲，测量时把地球公转速度误差出去根本不算什么，遮挡物距离再不精确，误差就更大了！

那咋办呢？咱俩再次站在猎猎风中，一筹莫展。

我们有更好的办法，迈克尔逊和莫雷自信满满、春风得意地说。

频率。迈克尔逊如示家珍地说出一个词。

是的，光的频率！莫雷接过来为我们讲了一个故事。

那一年我17岁，她也17岁,……

停！你本人的故事我不想听了。

对不起台词背错了我咽回去。其实我要讲的是一个超级玩家。莫雷正色道。

托马斯·杨。

停！双缝实验是吧？这个故事俺们听过！

但是，你知道怎样才能把这个游戏玩成功吗？莫雷问完，见咱俩大眼瞪小眼，接着说道，托马斯·杨玩的这个游戏，不是随便玩玩就能玩好的，要看到光干涉的美丽条纹，是有条件的：只有两列光波的频率相同、相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，很难具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。这就是为什么要强调“相同频率”。

哦，我想起来了，这个，俺们在发现光波是横波那段学过。两道以上的波合并，波峰与波峰重合、波谷与波谷重合，也就是“相位”相同，则波的能量加强；如果波峰与波谷交错，也就是“相位”不同，则波的能量相互减弱。是吧？你兴奋地抢答道。

对呀！小鬼蛮聪明嘛，莫雷赞许地摸摸你的头。接着说道：

同样频率的两道光波重合，如果在起始点“相位”相同，那么在之后的旅途中，它们一直是相互加强状态，表现为亮度叠加；反之，在起始点“相位”不同，则始终是相互减弱状态，表现为亮度削减。

迈克尔逊接过来说，你滴明白？哦，不明白，好，我直说了吧：

从同一个光源发出的光，频率相同，如果把这样一束光分成两束，让它们速度不同，就能造成它们的相位不同（步调不一致），这时再让它们合成一束光，那么，频率相同、相位不同，就像托马斯·杨玩的游戏那样，就可能发生干涉，有干涉就会有条纹……明白了？只要产生较为明显的条纹，就能反证光速产生了变化！

那，怎样才能让这两束光速度不同呢？你嘴里含着食指，眼神迷惘而又真诚地问道。

这个简单啊，让这两束光朝不同方向跑，一束顺着地球运动的方向，一束跟地球运动方向垂直，再分别反射回来，合成一束，不就OK了？一向以严谨著称的迈克尔逊笑眯眯地说。

哦？哦！那就让我们大家立刻开始这段游戏吧！咱俩迫不及待了。

子曰，心急吃不了热豆腐。咱先把玩具凑齐再说。迈克尔逊和莫雷一边准备玩具，一边絮絮叨叨地讲解。

我们打算这样玩，听好了。玩具有这几样：

一个光源，名叫小亮，它可以发出一束光。

三块著名的镜子，阴阳镜，对同光反射一半，透射一半，负责分光；魔镜、风月宝鉴，它俩互相垂直，负责反光。

还有一样东西，就是托马斯·杨玩的三块板之一，当然得要没弄坏的那块，它叫杨老板。

OK，玩具凑齐，它们组成一个大玩具，叫迈克尔逊干涉仪。GO！

游戏流程：

小亮发出一道光，被阴阳镜分成两束，一束射到风月宝鉴上，一束射到魔镜上。光被魔镜、风月宝鉴反射回来，合成一束，投射到杨老板上。

Game over。

好的，现在我们来看看，这两束光的发射方向不同，速度有啥不一样。

我们把魔镜背面对准地球公转的方向，按照牛顿理论，射到魔镜上的光速（红色）就是C+30KM/秒，由魔镜反射出来的光（蓝色）速就是C-30KM/秒。

风月宝鉴跟魔镜垂直，接收和反射的光是垂直于地球公转方向，不涉及到与地球公转速度叠加，所以射到风月宝鉴上的光和它反射出来的光速度都是C。

现在，风月宝鉴和魔镜反射回来的的两束光合为一体。

哦，我知道了，因为这两束光，它们频率相同，但速度不同了，所以相位就会不同，就会导致干涉、产生条纹，从而一举证明牛顿和以太的胜利！你兴奋地抢答道。

呵呵，小鬼很有思想嘛。迈克尔逊笑道，理论上，小鬼说得不错，但实际上，由于镜面距离啊，两束光透过玻璃的折射啊、反射啊、光程差啊等因素，也会产生干涉条纹。这些条纹，是由于设备条件所产生的“误差”条纹，虽然可以计算出来，从观察结果中剔除出去，但毕竟，我们真正要观察的干涉条纹也不是太明显，再加上可能的测量误差，这样得出的结果，还是底气不足。

那咋办啊？我们不是白忙乎了？这回咱俩真着急了。

莫急莫急，有一个十分稳妥的办法。并且非常简单。莫雷说着，脸上泛起神的微笑。

快说吧别卖关子了。咱俩急得跳了起来。

我们记录好第一次观测的条纹数据，把设备直接转动90度，这次让风月宝鉴背对地球公转方向。莫雷把“直接”两个字咬得很重。

迈克尔逊接着说，由于设备上所有的部件，我们都没做任何调整，只是把它转动了一个方向而已，所以，即使设备本身有什么误差，这个误差总不会变吧？ 误差固定，而两束光的方向却颠倒了，这会让条纹产生有规则的移动。

听明白了吧，设备的“固定误差”可以不管了，我们只需要对照两个不同方向的条纹“移动”就OK了。

综合这台设备的各种因素，按照以太理论，我们已经算好了，条纹将移动0.4条！虽然这个量听起来不大，但足够精确测量了。

莫雷接过话头说道，其实，这个实验，迈克尔逊在1881年已经做过一次，但没有观测到满意的结果。我们认为那是设备精度不够造成的。

这次，我们这台设备在精度考虑上可以说是无微不至，甚至连外部环境配置都狠苛刻，为了防止地面振动的影响，我们专门弄来一块大石板，把这块大石板漂在水银槽里，咱们的设备就放在这块大石板上。

现在设备的精度达到亿分之一！是不是很变态啊？莫雷自豪地笑道。

只要这个移动与理论预测相符，就证明以太存在，光速相对以太固定，那么牛爷就和平解决了跟麦爷的人民内部矛盾，从胜利走向胜利！

如果实验结果是设想的这样，我们就可以在杨老板身上分别看到两个方向的干涉条纹——动感的哟！

自从上次跟托马斯·杨玩过之后，杨老板就一夜成名，他一直梦想着做一匹无忧无虑的斑马。现在，身披动感条纹，是他的新理想。

此刻，我们共同的梦想就在眼前。

迈克尔逊、莫雷、咱俩，和杨老板一起期待这一神奇而伟大的时刻。

那美丽的动感条纹会不会在杨老板那方正平整的身体上如约出现？

放心吧，一定会的！

说出这句信心爆棚的话后，我们心中有些忐忑。

地球无怨无悔地以30KM/秒的速度在以太中穿行。

小亮朝阴阳镜射出一束明媚的光。这束光与地球穿行的方向垂直，速度是C。

阴阳镜将这束光的一半放行，分给风月宝鉴，另一半反射给魔镜。

两面镜子反射回两道不同速度的光。

两束速度不同的光合成一束，射向杨老板……

我们把设备转动90度。

上面的过程重演……

Ladies and乡亲们，现在，就是见证奇迹的时刻！

我们一起睁大了眼睛。

没有移动。

我们一起擦了擦眼睛，还是没有移动。

于是我们一起傻眼了。

再来一遍！

我们又一起擦了擦眼睛，擦大劲了，眼前金星有了，但移动没有。

……

这大概是一起普通的交通肇事，这个这个大概是巧合……可能是今天天气不太好、太不好或者太好，也许以太的状态有些特殊，或者是其他别的什么原因，很多的巧合凑在一起导致了难以解释的结果，总之我们要反反复复调校设备，在不同的季节，地球运转到轨道不同的位置，反反复复做这个实验，我相信，总有一天我们会看到那美丽的动感条纹，那一天，将是电磁学和牛顿力学大统一的一天，将是人类历史上伟大的一天！让我们一起期待吧！迈克尔逊坚定地说，莫雷坚毅地点点头。

好吧，既然这样，我们就先不围观了。你们继续。

5天过去了。没有移动条纹。

一年过去了……

像以往的每一年一样，这一年很快就过去了。但对于迈克尔逊和莫雷而言，这是漫长的一年。

对整个物理界而言，这也是难捱的一年。

因为等待是一种煎熬。越急迫的等待，煎熬的时间越漫长、过得越缓慢。

人们在等待那个美丽的梦想，但每次突如其来的都是无情的现实。

时间、位置、角度、精度、环境、设备结构……能考虑的都考虑了，能变换的都变换了，能调试的都调试了，能改进的都改进了，不论怎样，就是见不到期待中的条纹移动。

不是巧合，再多的巧合也抹不平事实的忧伤。杯具啊！

这个始料未及的结果把他俩和当时的科学界惊呆了。也把咱俩惊呆了——尽管咱俩已经是第N次看到这个结果。

人们不知所措：为什么呢？

实验“失败”了，我们没能证明光速可变，没能证明以太的存在，没能捍卫伟大、光荣、正确、光芒万丈的牛顿理论！

之后，根据这一原理，无数人重复了这一实验，结果无一例外不符合牛顿理论的预言。

还记得那个操作起来很难很麻烦的实验方案吗？后来，还真有不嫌麻烦的，想办法利用月光、日光、星光与地球运转的相对速度来测定光速。

要知道，迈克尔逊-莫雷实验是光源在地球上，测的是“光速可否随光源运动而变化”，而后来人们利用日月星辰的光，既有光源（日月星辰）运动，也有观察者（地球）运动，可以说更有说服力，至于怎样精确测量天体的光速变化，我没找到资料，不过如果换了我，就用对准光源的天文望远镜作为小亮的替身。

虽然他们使用的手段不明，但结果很明朗：不管地球是顺光、逆光、侧光、侧逆光运转，测得的光速都是C！

希望破灭了。

上帝啊，光速真TMD是“固定”的！

为什么？！这都是为什么？？！！为什么？？！！这都是为什么？？！！！！为什么？？！！ 这都是为什么？？！！！！！！！！……

马教主，收了神通吧。拜托！您老人家每次出来吼都要下雨的。

物理界一片沸腾：这是怎么了？不应该呀，不合理呀，不管光源和观察者怎么动，光的速度居然不变！这解释不通呀？这可如何是好啊！快传以太上殿……以太呢？

……

1907年，迈克尔逊因“发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究”成为美国历史上第一位诺贝尔奖得主。这次实验史称以太漂移实验，也叫迈克尔逊-莫雷实验，为了以后好记，我们用一个迷人的名字：MM实验。这是一次“失败”的实验，但同时也是科学史上划时代的实验，它证明了光速不变，它所带来的质疑、无奈和震动，引起了人类的又一次科学革命！这是后话，不提。

10.3 一例显而易见的观测（修改版）

不解决光速问题，物理学难以为继。

实验证明，光速不变。那么，是不是实验设计原理出了问题？经过多方论证，答案是否定的，实验设计原理没有问题，实验过程也没有问题。

如果说，当时的实验设备、设计思想有问题，那么时至今日，可以上天入地的现代人,利用各种高科技手段，各种测量，答案都是一样一样一样的啊。

尽管如此，我们仍然可以怀疑这一切。因为我们总是不明真相，这个事实足以令我们怀疑一切。

OK，OK OK OK，我们不做实验，来亲眼看一看事实，看看现实中，光速在我们眼中是否可变。

但是，光速那么快，即使它变快点，或变慢点，精密仪器测起来都费劲，我等肉眼凡胎，更看不出来了！

别急，虽然上天给我们的肉体太多高压限制，速度、力量、感官……很难取得一点突破，但有一处还是很宽松的，那就是智慧。智慧达到一定高度，肉眼凡胎也可以出神人。

这里的神人，当然就是指智慧的科学家们。

科学家们替我们找到一个显而易见的观测对象——双星。

这里所说的双星，是由两颗星组成的一个系统，也叫联星，是指这样的两颗星：它们距离很近，质量大抵相当，谁也不服谁，谁也不甘心围着对方转，却互相被势均力敌的引力吸住，不得不围绕共同的重心公转，就像领导班子里平分秋色的俩副手，总想抽冷子给对方一下，奈何大家都想到一块去了。不过从表象上看，它们更像电影里两个八卦门拳师交手前的情形。

我们要观察的双星系统是这样的：它们的公转轨道面与我们观察的角度基本持平，这样，双星就会在一颗转向我们时，另一颗转离我们，如此往复。

好的，现在我们先给双星起名，她俩一个叫苏小小，一个叫陈圆圆。这一年小小17岁，圆圆也17岁。现在，小小和圆圆在我们眼前翩翩起舞，顺时针互转，由于她俩体重一样，所以相互绕着她们共同的重心——也就是圆心飞转，美极了妙极了简直OK顶呱呱！不愧是著名青年舞蹈歌唱行为艺术家。

她们转的这个圈，对我们来说，有这样四个点：离我们最远的那个点叫“远”，离我们最近就叫“近”了；左边的那个点叫“左”，右边的那个点当然就叫“右”了，顺时针转哦。此刻，巧极了，苏小小在“远”，陈圆圆在“近”。

你知道我是个狂爱艺术的人，此时此刻，当然只顾欣赏艺术，因而没时间搞测量。所以测量任务交给你了。下面是你测量的结果：

1.两位MM的速度是光速的一半。

2.她们每2天转一个周期。也就是说，每两天，圆圆转一圈，小小也转一圈。

3.正常的光速需要经过5天时间传到我们的眼睛里。

现在，苏小小在“远”点，陈圆圆在“近”点。OK，我们先粗略观测一下，当光速可以叠加时，她俩运动的大致状况。

叠加的意思，就是MM跑向我们时，我们“看”到的MM速度=正常光速+光源速度；而MM逃离我们时，我们“看”到MM速度=正常光速-光源速度。这是两道小学算术题。

根据你刚才测到的数据，我们算出，MM跑向我们时，观察速度是1.5倍光速，逃离我们时，观察速度是0.5倍光速。

好，MM们可以开始了。

但见苏小小嫣然一笑，莲步轻移，腰身一闪，由“远”经“右”向“近”飘来，她身上发出的光，以1.5倍光速向我们传来。所以我们先看到小小飘过了右点。

与此同时，陈圆圆也不甘示弱，这舞都跳N年了，速度早同步了，who怕who啊！于是也娇躯一闪，由“近”经“左”向“远”飘去，她身上发出的光，以0.5倍光速向我们传来，所以我们看到，小小飘过右点时，圆圆还没到左点！

大哥，小小早到了，圆圆怎么才启程啊？

别急，让圆圆飞一会儿。

看到这个结果，陈圆圆杏眼圆睁，叱道：我和小小用了同样的速度，走了同样的距离，在你们眼里，居然苏小小比我快那么多，你们怎么看的？！

也难怪陈圆圆郁闷，如果光速可以随光源变化，我们会看到，双星转向我们时，速度极快，而转离我们时，速度极慢，这样忽然闪动，又忽然缓动，它们转动的位置看起来就会错位，出现异动，如此看双星，就比围观凌波微步感觉还怪异。

具体情况，我们把光传递的时间分段来看，再做个实验：光速不变与可变对比。

这回，我们让两个MM分开来做。刚才让圆圆受委屈了，这次就让她做光速不变观测，小小呢，就做光速可变观测。

在这个实验里，我们把左半圆和右半圆运动的光，分别简化到“左”和“右”两个点来观察，根据两天转一圈的周期，我们可以确定，如果第一天某时，MM在“左”，那么，第二天那个时刻，她就在“右”，如此往复。

我们先看圆圆的情况。她从“左”出发，发出1号光，以光速传向咱俩；次日到“右”，发出2号光，也以光速传向咱俩。以此类推，每天左右交替传播光。因为光要走5天才到我们这，所以从第五天起，我们先看到1号光，圆圆在“左”；次日，看到2号光波，圆圆在“右”；再过一天，我们又看到3号光波，圆圆在“左”……很有规律。跟她的实际情况相符。

现在我们来看看小小的情况。她发出的光速，与她的运动速度是叠加的。

小小也是从“左”出发，运动方向背离我们，发出的1号光以0.5倍光速传向咱俩；次日，小小到达“右”，这时运动方向朝向我们，发出的2号光以1.5倍光速传向咱俩。依此类题，每天左右交替传光。因为“右”光比“左”光快，只要旅途足够长，“右”光终会超过“左”光。我们就会观测到这样的结果：从第五天起，我们先看到2号光，小小在“右”；第二天稍晚些（间隔比一天长），看到1号光，小小在“左”；第三天很早，看到4号光，小小很快回到“右”；在第四天某个时间段，我们会看见小小在左、右两点同时出现！哇，传说中的魅影？！是的，这种现象就叫“魅星”。

如此一来苏小小郁闷了，好好的跳个舞，居然跳出个鬼影来！

这下扯平了。按照咱家规矩，都亏了，就是都不亏。于是大家都很满意。

在双星的实际观测中，从未观测到魅星现象。双星的运转周期也很有规律。

宇宙中，虽然双星速度远远达不到光速的一半，但有的双星运转速度极快，离地球又十分的遥远，动辄需要几光年、几十亿光年才到达地球，如果光速可随光源变化，速度快的光经过漫长的岁月，早晚会追上速度慢的光（就用地球公转速度加上光速，每秒多30公里，算算多少秒能追上，你会惊奇地发现其实用不着多长时间），那就一定能观察到魅星，至少可以观察到它们的周期混乱，但是很遗憾，我们不管观测哪个双星系统，都没有发现这种诡异的转法。因此，实际观测证明，光源速度与光速无关。

不信？嘿嘿，还是伽利略那句话：不信自己去看。

不过，也有反对者提出另一种看法：他们认为，光从光源一发出，就进入另一种媒质，接着就被这种媒质吸收，并重新辐射出来，变化的光速经过这样一“整理”，就又回到原来的速度！

这个理论让光的传播手续太复杂，先要进媒质，然后由媒质发出，再进下一个媒质……好像是下了飞机赶火车呢。虽然它能勉强解释光源运动时，光速为什么不变，但解释不了测量者运动时，光速为什么还是不变！

这些先按下不表，不远的将来咱还会有光速不变的例证，我们是以德服人，想要证明你就尽管要，要到你服为止，以德服人！以德服人！……

无数观测证明：光速不变。找不到以太。

10.4 一个艰难的决定

以太：我演砸了吗？我怎么觉着才刚刚开始？！

身负众望的以太理论眼看要宣布垮台了，这意味着什么？

这意味着，不是牛顿错了，就是光错了。

那位老师说了，牛顿错了有什么了不起，改呗！

太对了！

可是，您可能不太了解当时的情况。

19世纪，理论物理学达到了一个巅峰状态，面对广袤的大地和无垠的夜空，人们信心空前。

1781年3月13日，喜欢看星星的强人——英国古典作曲家、音乐家、天文学家兼恒星天文学之爹赫歇耳爵士，用望远镜发现了太阳系第七颗行星——天王星。

于是大家纷纷把望远镜对准它。跟着，诡异的事情发生了。1800年以后，天王星像被谁踩了尾巴，忽然越跑越快，到1830年左右，它似乎搞累了，又慢了下来。

人们百思不得其解，只好翻翻书，问问牛爷对这事怎么看。根据牛顿理论，预言了导致这一怪事的原因：天王星轨道外还有一颗新星！

虽然牛爷理论很强很神奇，但谁也没见过那颗星，于是大家将信将疑。日子就这样不紧不慢地过着，一如风情万种的昨天。

1845年，英国数学家亚当斯算出新星相关数据，把结果交给了英国皇家天文台。据说天文台鼎鼎大名的天文学家艾里对这个“无名小辈”很冷淡，草草扫了一眼之后，便信手将演算结果丢进了抽屉。

巧了，同样年轻的法国数学家勒威耶也算出了新星的数据，他似乎吸取了亚当斯的教训，没有把自己算出的数据寄给本国天文台，而是寄给了德国柏林天文台伽勒博士，指定一片夜空区域和具体时间，预言在那里将会发现一颗新的行星。

1846年9月28日，伽勒博士收到信当夜就开始搜索，只经过半小时的观察，勒威耶的预言应验了，太阳系第八大行星向人们幽幽一笑——后来它被地球人叫做海王星。

勒威耶和亚当斯，这俩人到底谁是海王星的发现者，还引起了广泛的争议。

有人考证说，亚当斯当时是拜访艾里不遇，就给艾里留下了一张便笺，给出了未知行星的轨道元素，还写了几行残差值。艾里见到便笺后给亚当斯回了一封信，予以肯定，但那时，一颗彗星吸引了亚当斯，于是他忙乎彗星去了，没有对此给出完整的答案。所以……

可怜的亚当斯，他小时候，妈妈一定没给他讲过这个故事：一只蜻蜓飞过来了，蜻蜓飞呀飞呀，落在了小猫的鱼杆上……一只花蝴蝶又飞来了……

现在，天文学家们还发现，勒威耶和亚当斯当时的预言都不准确，估算海王星与太阳的距离过大，但侥幸的是，轨道计时与其他数据的耦合，又最终预言出海王星正确的现身区域，所以海王星还是被“误打误撞”地找到了。

无论如何，这是依据科学预言的结果。

海王星发现的意义，不仅在于为太阳系家户口本上添丁进口，更在于它是第一颗根据人类计算、科学预言发现的行星，这显示出牛顿力学无比强大的理论威力！从那时放眼回望，古往今来，牛人多如牛毛，但有谁，能比牛顿还牛？！多少人统治一方几十年，就牛得尾巴翘上天，而牛爷是天上地上全管，说天上星星咋转，星星就咋转，说哪时哪刻哪里会有颗星星，那儿就有颗星星。功力如此之高，引无数英雄竞折腰，人们是真的真的彻底折服了！

电磁学与力学的日臻完善，使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”，它在人们心中已经达到了近乎完美的程度。

1874年，德国慕尼黑大学，一名活力四射的翩翩少年站在物理学教授菲利普·冯·约利面前，激情澎湃地表示，要为理论物理学奋斗终生。约利听后，没有摸摸他的头并致以坚定激励的眼神，反而淡定地劝他：“年轻人，你来晚了。物理学已经完成了，剩下的事，只是在细节上修修补补，没多大发展了，用一辈子干这事，太可惜了。”幸亏这盆兜头而来的、带着冰碴的凉水没把年轻人的理想之火浇灭，因为，他的名字叫普朗克，后来成为量子物理学的开创者和奠基人。

虽然这只是一段简短的对话，但足见人们当时对物理学的信心爆膨。

甚至，经典物理学已经成为许多人心中坚不可摧的信仰！

现在牛顿错了，也就大家对宇宙的认识都错了，谁来改？谁会改？谁敢改？怎样改才是正确的？把牛爷理论改了怎么可能是正确的？！难道我们历尽千辛万苦找到的光明大道，这么快就走到了尽头，转眼间，我们又成了迷途的羔羊？! Oh my！

这是人们迷茫的真正原因。

所以，在1887年到1905年之间，人们曾十分努力地尝试挽救以太理论。

其中，最著名的是荷兰物理学家、数学家亨得利克·洛伦兹（又一个牛人），他对以太理论进行了拓展。他说，电磁是电子的效应；以太以不变的形态存在于物体和真空中。物体运动时，以太不动。电子随物体运动时，受电场和磁场的作用，出现运动电流……

洛伦兹认为，相对于以太运动的物体会收缩，钟会变慢（注意，他指的是钟本身，而不是时间流逝变慢）。他还建立了与之对应的公式——与后来爱因斯坦推出的长度公式形式相同，但表达的涵义却完全不同。后来人们得知，斐兹杰惹更早就得出了相同的结论，于是人们将这种长度收缩的假设唤作“斐兹杰惹—洛伦兹收缩”……

眼看以太要焕发青春梅开二度，但人们立即沮丧地发现，在这个理论中，以太除了充当电磁波的载体和绝对参照系，别无它用，还停留在纯理论的假设上，它存在的意义，仅仅是方便解释电磁波。也就是说，它死定了。

以太的各种相关理论，以及各种无关以太的理论，都无法解释为什么不管是迎着光还是背着光运动，测得的光速都是固定的。无法使光与牛顿相协调。

历史真的很戏剧化，牛顿第一个有意识地分解了光，揭示了光的色散秘密，揭开了物质颜色之谜，他构建的理论大厦却在光的面前濒临崩塌。

面对一根筋的光速，物理学界作出了一个非常艰难的决定：在以太理论不能对迈克耳孙—莫雷实验结果作出合理解释之前，我们决定将在所有物理理论中停止使用以太。

停止使用以前，再问一遍，以太……有吗？

有还是…没有啊？

问你呢你问谁呀？

那没有。

这个可以有。

这个真没有。

呐，不管有以太呢还是没以太，最重要的就是尊重事实。光速固定不固定呢，是不能强求的。这种事情不要太放在心上。

以太怎么测也找不着，是他自己不懂得珍惜。怎么量你速度也不变，你有没有考虑过我的感受？

发生这种事，大家都不想的。呐，不要说我没提醒你啊，现在各种测都有的，测不到光速变化不要紧，最重要的是别为这生气弄坏自己的身子。事情不是你想象的那样的，想走出阴影，你还有我咯。

其实呐，迈克尔逊和莫雷现在也非常的内疚说不定。做人呢，最要紧的就是开心。饿不饿？我给你煮碗面……吃了保证你开心！

后来的事实证明，确实不存在以太，不过它仍然活在我们心中（人类空虚的心灵太需要以太来填充了-_- !），今天广泛使用的共享总线型的局域网，就叫以太网。

面对ＭＭ实验的结果，整个物理学界的表情在以太中尴尬起来。

10.5 两片乌云

1900年4月，英国物理学家开尔文男爵（牛人一个，就是麦克斯韦的师兄汤姆逊，在热学、电磁学、流体力学、光学、地球物理、数学、工程应用等方面做出卓越贡献）发表了一篇演讲，指出了史上最著名的两片乌云。别猜了，不是孙悟空和二郎神打架时踩的那两朵。

说这两片乌云史上最著名，是因为它俩引发了翻天覆地的科学革命，革命的成果完全颠覆了人类此前的认知，极大拓展了人类想象空间和创造空间，这才有了现代人类牛叉哄哄的幸福生活。

不管是文盲、文痞还是文豪，也无论是正传、列传还是外传，故事讲到这儿，都绕不开这两朵乌云。这两朵云的名气，似乎超过了汤姆逊的其他贡献。所以本文盲也不能免俗，不讲讲这个，相当于拍《水浒》不细扒潘金莲和西门庆，就好像咱不懂那档子事似的，这是一个不得不说的故事。

那是在一次物理学报告会上，开尔文发表了《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》这篇演讲，他说：“动力学理论认为，热和光都是运动的形式。But现在，天边飘来两片云，是乌云，遮盖了这一理论美妙、明晰的特质……”。

他说的这两片乌云，一片是能量均分定理的困难，指的是黑体辐射带来的困惑，这一片云咱们先放一放，学习量子理论的时候再说。现在说另一片云：以太理论的困难，指的就是MM实验的困惑，光速不变和以太之死带来的恐慌。

开尔文同志是牛顿的忠实信仰者，也是以太的忠实追随者，他认为，可以用物质之间的作用力来解释一切，宇宙如机械般运转，就像咱小时候拆开的那个闹钟一样，这种宇宙观史称“机械观”。

他投入了很大的精力，通过波动、涡流、弹性固体等方面，各种研究，企图以牛顿经典力学为基本构架，来构建电磁和光的理论。因此，他对以太理论一往情深，把先贤们假想的以太，当作一种实际存在的物质，精心加以研究，以求用经典力学来解释电磁现象和光现象。

迈克尔逊-莫雷试验之后，随着以太的倒掉，开尔文在这方面的努力付诸东流，对他而言，乃至于对当时的物理界而言，这真是一朵又厚又黑、不期而至的大块乌云。没人欢迎这个不怀好意的不速之客。

但是，人家既然来了，而且是带着诚意扑面而来的，大家总不能顶着他巨大的阴影假装没看见，继续沐浴在意淫的阳光里吧？

你见 或者不见我

我就在那里

不悲 不喜

你理 或者不理我

阴影就在那里

不来 不去

你量 或者不量我

光速就在那里

不快 不慢

你懂 或者不懂我

我的秘密就在这里

不变 不移

来我的怀里

或者 让我住进你的心里

豁然 顿悟 寂静 欢喜

事情就是这么个事情，问题就是这么个问题。大家对此想得很清楚，于是各显神通，试图化乌云为乌有，变凤姐为凤凰。

一切，还得从牛顿说起。

10.6 牛顿的时空观

这一节，要枯燥，因为要大量引用牛爷的原文。

不，说错了，是译文。

呐，这个牛顿运动定律呢，是建立在绝对时空基础上的，与之相适应，超距作用也是一大基础。换句话说，它们是配套的。

所谓超距作用，类似于传说中的特异功能，这边发功，那边就得“同时”有反应，物体间不需要任何介质，也不需要时间来传递它们之间的相互作用。

对，这个事前面说过，旧话重提，是为了加强记忆温故知新嘛，发生前后不能衔接这种事，大家都不想的，是吧。饿不饿？我帮你煮碗面？

好吧，看你幽怨的眼神，还是算了。

咱接着讲。

其实俺废话不算多，要不咱再聊聊？吃面不？

不吃就不吃嘛，干嘛拿着砖那样看着人家。

下面说正经的。

真不吃面？

牛爷的部分粉丝认为，强调牛顿的绝对时空观，是有失偏颇的，理由是，牛顿也提到过相对空间、相对时间。

他们承认，牛顿所说的绝对时间与绝对空间，是鸡犬之声不闻、老不死也不相往来的两个独立概念，与一切物质没有一毛钱关系。

但是，他们坚持认为，牛爷所提到的相对时间、相对空间与物质的运动三者之间紧密相关。

这里影影绰绰带着点牛爷也是相对论先驱的意思。或者说，牛顿嘴上坚持时空是绝对的，但潜意识里还有相对时空的。牛爷不要生活得太分裂了吧。

好吧，为了世界和平，我们搁置争议，共同开发一下牛爷的《原理》，看看究竟是怎么一档子事，然后继续我们既严肃又紧张，却轻松还活泼的另类幸福生活。

牛爷在《原理》中有这样一段话：“我没有定义时间、空间、处所和运动，因为它们是人所共知的。唯一必须说明的是，一般人除了可感知客体外无法想象这些量，并会由此产生误解（注意这个词哦）。为了消除误解，可方便地把这些量分为绝对的与相对的，真实的与表象的以及数学的与普通的。”

紧接着，他描述了两种时间：

绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关，又名延续；

相对的、表象的和普通的时间，是可感知的和外在的（不论是精确的还是不均匀的）对运动之延续的量度，它常被用以代替真实的时间，如一小时，一天，一个月，一年。

从这段话中，我们得知，牛爷信奉绝对时间，他所说的相对时间，是人类感知的误解，而不是真实的。如果你认为这段话不足以证明牛爷持这一观念，那么看看接下来牛爷还说了什么：

“天文学中，由表象时间的均差或勘误来区别绝对时间与相对时间，因为自然日并不真正相等，虽然一般认为它们相等，并用以度量时间。天文学家纠正这种不相等性，以便用更精确的时间测量天体运动。能用以精确测量时间的等速运动可能是不存在的。所有的运动都可能加速或减速，但绝对时间的流逝并不迁就任何变化。”

这回明白无误了吧，牛爷认为相对时间是“表象时间的均差或勘误”，也就是感觉和测量的问题，“绝对时间的流逝并不迁就任何变化”。

对于空间，牛爷也认为是绝对的：“其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构，或者是绝对空间的量度，我们通过它与物体的相对位置感知它……”

这就是说，相对空间只是由物体的相对位置所得来的一种感知，而不是“真实”的 。关于这一点，牛爷还说道：

“所有事物置于时间中列出顺序，置于空间中以排出位置。时间和空间在本质上或特性上就是处所，事物的基本处所可以移动的说法是不合理的。”

牛顿在《自然哲学之数学原理》一书中的一开始就先提到了八个定义，他为了让人为更好的理解这些定义而在其后写了一个“附注”，在“附注”中他谈了对时间和空间的认识，为了让读者理解空间和运动问题，他提到了一个实验，这个实验只需要水、水桶和一根绳子。在实验中，牛顿用绳子吊起一个盛一半水的水桶使其旋转，初始水桶旋转而水不转，水面是平的。后来慢慢地水也跟着桶壁转动，水也沿着桶壁逐渐的爬升，水面中心凹下去，后来水的转动与桶的转动同步，水面沿桶壁爬行到最高。

牛顿认为所有匀速直线运动都是相对的，而用这个实验说明转动是绝对的。

这个实验可以说再简单不过了，这是很多淘气的男孩用玩具小桶在小时就玩过的把戏，相信大家也都对水桶旋转产生的现象非常了解。

我想，牛顿肯定不会想到他在书中列举了一个简单的小实验竟能一下跃升为物理界著名的“水桶旋转实验”。几百年来，这个小实验竟成了讨论空间和运动必需研究和争论的大问题，并且是几百年来也没有争论明白的问题。

牛顿的观点：

当水桶旋转初始的时候，桶旋转而水不转，水与桶壁相对运动的速度值最大的时候，水面是平的。而水转动时，水面开始向下凹，同时产生水沿着水桶的壁爬升的现象，这是水旋转运动所造成的，并不是水相对于桶壁的运动造成的，当旋转的桶壁与旋转的水相对静止时，水的爬升反而达到最大值。

所以牛顿认为旋转水桶中水的爬升并不取决对于周围物体的相对运动。

他认为水的旋转运动面对外界可有数不清的相对运动，但水旋转运动的本身能感觉到这个离开运动轴的力，所以它才是唯一的真实运动。“绝对运动与相对运动的效果的区别是飞离旋转运动轴的力。”

牛顿认为：水旋转产生的离心力与外界物体的相对运动无关，只与离开运动轴有关，自转运动是对于绝对空间的绝对运动。

马赫的观点：

马赫认为物体的运动都不是相对于绝对空间，而是相对于别的物体而言的，相对于绝对空间的绝对运动是不存在的。离开了物体之间的相互关系，说物体的运动是毫无意义的。马赫还认为：所有一切都是相对的，所有的质量，所有的速度，所有的力都是相对的。“水面沿桶壁的升高是离心力的作用的结果，也可以看作相对惯性力的作用，而这个惯性力是无数遥远天体对水面的引力的作用，所以惯性力本质上就是引力。”

马赫认为：绝对空间和绝对运动都是不存在的，水在桶壁的爬升是因为对遥远天体的相对运动。

还有下面这段话，因为说得比较抽象，所以像我这样的文盲，需要仔细阅读才弄得懂：

“由于空间的这一部分无法看见，也不能通过感官把它与别的部分加以区分，所以我们代之以可感知的度量。……这样，我们就以相对处所和运动取代绝对处所和运动，而且在一般情况下没有任何不便。但在哲学研究中，我们则应当从感官抽象出并且思考事物自身，把它们与单凭感知测度的表象加以区分。”

我还是翻译一下吧，牛爷这段话是说，空间这东西太抽象，单凭感觉不太好理解，所以人类就用一些具体的概念来帮助理解，比方说尺寸啊、方向啊、位置啊等等，这些概念都来自具体的事物，是相对的，比如尺寸，大相对于小，长相对于短，如果宇宙只有一个物体，就分辨不出大小长短。方向啊、位置啊也是这样，都是相对具体事物来说的，如果宇宙里只有一个物体，那就无所谓上下前后左右远近了。我们用这些人为的概念来理解空间，这种空间的相对性，是直观的、表面的理解，而不是本质的，在一般情况下，这样理解没问题。但是，在哲学研究中，我们就应该跳出这种表面的理解，去思考空间的本质。

结论：虽然牛顿提到过相对空间、相对时间，但从上面的论述来看，他是将其作为人类感知的“误解”来看待的。他认为，绝对时空是真实的、数学的，而相对时空则是表象的、普通的。这与“相对时空观”是完全不同的两码事。即使如此，我们也不得不佩服牛爷思维的缜密和敏锐。

牛爷的粉丝大可不必改写牛爷的时空观，牛爷的时空观再绝对，也丝毫无碍牛爷的伟大，他的思想和贡献彪炳史册、光耀千秋，与人类同在。（PS：这句台词好像很熟啊。唉，是啊，人类的词汇太有限，我的能力更有限，本文写的又都是牛人中的大牛，形容这些让人羡慕嫉妒恨的家伙，还真找不到比这几个词更给力的正经词了。）

为了证明存在绝对空间，牛爷提出了一个实验。

器材十分的简单：用绳子吊起半桶水。

实验过程更简单：让桶转起来，观察水的反应。

这个游戏咱俩小时候玩过，估计很多人都玩过，没玩过的也应该看过。所以我们知道，不管是牛爷，还是你我去转这个桶，一直转，过程都是这三个阶段：

第一阶段：桶刚开始转的时候，水不转，水面是平的。（这个时候，你以水为参照物，桶是转动的，但以桶为参照物，也可以说水是反向转动的）

第二阶段：慢慢地，水就跟着桶转起来，水面的周边沿着桶壁上升，中间下凹，形成抛物面。第三阶段：水与桶转动同步。（这个时候，水与桶是相对静止的，但它们相对于外部世界转动，也可以说外部世界相对于水和桶在转动）

注意：问题的关键在水面，从第二阶段起，水面就变成了抛物面。

玩过的都知道，这没啥稀奇的，但实验的内涵很深刻：思考运动是相对的，还是绝对的。

这个题目大了，涉及整个物理学的根基，用的却是这样一套简陋到让人吐血的工具。所以说，最深奥的道理，就隐藏在我们身边无数个不起眼的现象中，洞察到的，就是高人。

这个实验，就是著名的“水桶实验”，只要涉及到相对运动、绝对运动的讨论，就避不开这个实验。

我们在前面讨论运动时得知，运动是相对的，动与不动，速度如何，得看参照物是谁，对吧？第一、三阶段括弧里，说的就是相对运动的道理，这里就不多说了。

牛爷也承认相对运动，但他只承认一部分，因为他认为“转动”是绝对的。这个转动的水桶就是证明：

如果转动一个水桶，水面会爬升，也就是变成抛物面。这能判断是水桶在转。

但是水桶“不转动”时，即使让周围所有物体转动，水面也不会变成抛物面。这就能判断是周围的物体在转，而水桶没转。

因此，水桶的转动不是相对的。

它就是自个在转，与其他物体转不转一毛钱关系没有。

所以，转动，是一种“绝对运动”。

好吧，既然转动是绝对的，那么，假设全宇宙只剩下一个物体，它的绝对转动又体现在哪呢？

恭喜你，你问了这正是牛爷要的问题，他说，绝对运动，是相对于绝对空间的运动，绝对空间是不动的，所以，才会有绝对运动。如果你不承认绝对空间存在，那就麻烦你解释下水桶运动的水面吧。

神人啊！自1687年发表《原理》起，牛爷这一个简单的小动作，雄视英杰辈出的人类近200年，无人敢接招，不是不想，而是没人破得了这一招。

直到1883年，一个叫马赫的奇才举起堂吉诃德之矛，刺向牛顿的风车。

牛爷，如果你后期不是选了一项不可能的任务，鬼知道你还能鼓捣出什么惊天动地的成果来！

10.7 马赫的批判

在地球人加个夜班都要点蜡、随便发个炎就能死人的那个年代，牛爷用鹅毛笔创立的理论，直到今天的科技最前沿还在乖乖地应用，怎一个牛字了得？！

但是，绝顶高手也有命门。

随着物理学的深入发展，牛顿定律的软肋逐渐暴露出来。比如，牛顿第三定律的关键点是：作用力和反作用力等大、反向、共线，彼此作用于对方，并且同时产生，性质相同。

运动电荷就不。它们之间的作用力总是跟牛爷过不去。

实验证明，运动电荷之间，作用力不一定等于反作用力，它们的方向不一定相反，大小也不一定相等，有时甚至没有反作用力，被人打了左脸，它不还手不说，还把右脸也伸过去！奶奶个熊！

俗话说，福无双至祸不单行。实验还证明，对于以电磁场为媒介传递的作用，总存在着时间的推迟，这意味着作用力和反作用力并非同时产生，与牛顿定律配套的超距作用是不存在的。

例子还有，但做人要厚道，已经祸不单行了，咱就不往井里扔第三块石头了。

可是，马赫不这么看，他认为，做人就是要有一说一。

恩斯特·马赫，男，当年45岁，现年173岁，奥地利物理学家、哲学家，经验批判主义的创始人之一。这里所说的当年，是1883年。这一年，他发表了一篇神作，叫做《文盲正侃时间史》，对不起口误，那是一个傻啦吧唧的文盲写的，马赫写的那本其实叫《力学及其发展的批判历史概论》（以后简称《力史》）。

《力史》对物理学的发展产生了深刻的影响。马赫在书中对牛顿的绝对时空观的批判，以及对惯性的理解，为爱因斯坦写出引力场方程提供了灵感的火花，对广义相对论的建立起过积极的作用，爱因斯坦把他的这一思想称为马赫原理。

马赫在《力史》中，以深切的感情探寻、洞察了力学从小baby到大boy的成长轨迹，回顾了以牛顿为代表的力学先驱们的辛勤工作及丰硕成果，还顺便八卦了他们的心路历程。当然，引起轰动的，肯定不是这些工作总结，而是马赫的批判。

一个批判，为什么会引起轰动？

凡是有批判意识的人，都进行过批判；凡是能够批判的事物，都受到过批判。这是批判的两个凡是定理。

所以，在我们人类社会，批判无处不在。

所以，批判本身不足为奇。

一个批判，能否命中G点，引起轰动，有两个关键点：

1.谁批判。

2.批判谁。

这两点决定了这个批判是理性的还是非理性的，是高明的还是拙劣的，是客观的还是主观的，是实事求是的还是迎合上意的……得出这个结论，可不是看人下菜碟，而是有科学依据的：人品决定意识、意识决定行动、行动决定结果嘛！扯远了，再扯回来。

好，我们来看第一个关键点：谁批判。

马赫批判。

马赫何许人也？前面介绍过两句，这是个牛人。他22岁获博士学位，1864～1867年在格拉茨大学先后任数学教授和实验物理学教授，1867～1895年在布拉格大学任实验物理学教授，两度被选为校长。马赫发表过100多篇关于力学、声学和光学的研究论文和报告。他发现了激波。确定了以物速与声速的比值（即马赫数）为标准，来描述物体的超声速运动。他原创的马赫效应、马赫数、马赫带、马赫波、马赫角……赫赫有名。他的贡献远不止这些，这里不一一列举了。

OK，第二个关键点：批判谁。

批判牛顿。

被批判方大家都很熟，就不劳我介绍了。

现在马赫批判牛顿，引起轰动是必然的。

更引起轰动的是，马赫不像我老婆批判我那样，以无与伦比的跳跃式思维把我这当事人搞得不知所以、懵懂迷惘、怅然若失，然后她心满意足地得胜回房，人家马赫的语气是温和的，视角是客观的，思路是清晰的，评价是中肯的，态度是恳切的，论据是有力的，逻辑是严谨的，结论——是惊人的！

他就是这样，娓娓道来，给力地批判了经典力学的基本概念和基本原理，以及后人对它们的误用，批判了当时一统天下的力学先验本质和机械自然观。

对经典力学而言，要命的，不是这种批判的冲击性，而是它的启蒙性，如同在深秋草原的上风口，点燃了一朵幼小而又璀璨的星星之火，又如思想品德课的下半节，在老师干巴巴的陈述中，突然响起的清脆的下课铃声，唤醒了在条条框框中打盹的物理学家们，为物理学迈出新步伐、踏上新征程、作出新贡献扫清了思想障碍。

我们来看看他都说了些什么。

马赫说，并不是“所有物理现象都可以归结到力学之上”。就是说你该管的管，不该管的管不着！只这轻轻一刀，便砍掉了力学的半壁江山。

对于质量，牛顿定义道：“物质的量是物质的度量，可由其密度和体积共同求出。”马赫抗议，他认为这是个伪定义。他说，好吧，你想知道物体的质量，得先知道它的密度和体积是吧，那么，请问正方一辩，密度怎么测？用牙咬吗？

马赫可不是抬杠，他不仅能提出质疑，还能给出答案：质量比与相互加速度成负反比——物体间的引力使之产生加速度，它们加速度的比就是其质量的负反比。他说，从力学关系中推导出来的质量定义，才是真正的质量定义。

他乘胜追击，不依不饶，反对“惯性是物体的固有属性”这一说法，还刁钻地问道：如果宇宙中只有一个物体，它的惯性何在？

注意这一问哦，它包涵着深刻的物理和哲学命题，不信你就细想想，物质为啥子会有惯性，往深层、本质处去想，你会发现，越想越头痛。这很正常，因为这个概念直逼事物的根本，直到现在，仍然有物理学家在为此头痛。

好了，现在关键时刻到了，马赫开始了对牛顿绝对时空观的批判。

马赫的批判立足于一个基本的思想：宇宙间的一切都是相互关联、相互影响的。这与牛爷“独立的、不受万物影响的”绝对时空观格格不入，不共戴天。

首先是空间，马赫提醒道：不要忘记宇宙间的一切都是相互依存的，包括我们自己以及我们的思想。

然后是时间，马赫认为，绝对时间是一种形而上学的概念，毫无用处。他说，绝对时间既然与世间一切毫无关联，不受任何事物的影响，那么它就像以太那样，没有任何价值。没有人能拿出绝对时间的证据。

他认为，时间、空间的绝对概念来自纯粹的思维，是人宅在家里没事用脑子憋出来的，而不是现实。

说到空间是绝对的还是相对的，铁定绕不开牛爷随手放出的那个绝招——水桶实验。

马赫怎么拆招的呢？看好了，这可是200年来敢接招的第一人，他只说了几句话，所以，每个字都很重要哦。

“牛顿的旋转水桶实验只是告诉我们，水对于桶壁的相对旋转不引起显著的离心力，而这离心力是由水对偿转让地球及其他天体质量的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚，愈来愈重，直到厚达几英里时，那就没有人能说这实验会得出什么样的结果。”

“如果把水桶固定，让众恒星旋转，能够再次证明离心力会不会存在吗？”

“水面沿桶壁的升高是离心力的作用的结果，也可以看作相对惯性力的作用，而这个惯性力是无数遥远天体对水面的引力的作用，所以惯性力本质上就是引力。”

一时没看懂不要紧，因为马赫说得太笼统了，说实话这段文字翻译的也不敢恭维，但是我搜来搜去只有这一个版本，所以只好用了。

为了便于理解，我们需要梳理一下，先把牛爷的杀招和马赫的拆招简化一下，看看他们是如何对话的，然后再把马赫的话展开来理解。

牛爷说，水桶转≠万物绕水桶转。理由：前者会出现抛物面，后者不会。因此，这俩参考系不平权。结论：存在一个优越的参考系——也就是“绝对空间”。

马赫说，水桶转=万物绕水桶转。以水桶为参考系，就是万物在转，以万物为参考系，就是水桶在转。两个参考系平权。理由：

万物——包括遥远的星体对水桶里的水产生了影响，导致水的抛物面。

千万别以为马赫在耍小聪明，一竿子支到“遥远星体”上，用无法验证的假设去化解牛爷的绝招。马赫还真不是在玩脑筋急转弯，他说的话，可是正正经经的物理理论，有理有据的。关键词：

惯性、引力、离心力。

还有个动词：对偿转让。指的是，水对外力作用的综合反应。而外力，来自另外几个关键词组：

地球及其他天体质量、相对转动、众恒星旋转。

这些东东，好像跟水的抛物面没啥子关系是吗？别急，其实我比你还急，但这事，还真得一步步说。

还记得马赫对惯性的看法吗？他针对牛顿“惯性是物体的固有属性”的说法，欠扁地问了句：如果宇宙中只有一个物体，它的惯性何在？

在马赫看来，惯性的本质就是引力。听起来挺离谱是吧？其实挺靠谱。为了说明这个理论的原理呢，我们举个“不太恰当”的例子：

用很多根橡皮筋，从四面八方拉住一个乒乓球，让各个方向的拉力都均匀，乒乓球就会悬浮在空中。这时，各个方向的拉力之和是多少呢？不用算了，只要球“不动”，各向拉力之和就是0。就像一个各怀鬼胎、势均力敌的领导班子。

这些橡皮筋的拉力，就相当于宇宙中某个物质（比方说一个原子）所受到的引力。这些引力来自何方呢？来自它周围所有的物质，包括那些“遥远的星体”。 星光（包括不可视的）能传多远，其引力也能传多远。虽然星体很遥远，引力是越远越小，但不是没有，而且星体的数量庞大，所以力虽小，却不能忽略。

那么，为什么我们只感觉到地球的引力，而感觉不到遥远星体的引力呢？

先说地球。我们感觉到地球引力，是因为地球对我们的引力足够大，并且是单向的，所以我们能感觉到它向“下”的引力。试想，如果我们处在两个地球之间，两端引力均衡时，我们还能感觉到引力吗？（这个再说下去就到广义相对论了，咱以后再细说。）

再说遥远星体。我们感觉不到它们的引力，有两个原因，第一个原因是力道微弱，第二个原因更重要——遥远星体各个方向的引力均匀。就算以前不均匀，经过漫长的岁月，也被引力导致的恰当运动给调和均匀了。（这个再说下去也到广义相对论了，咱还是以后再细说。）

太阳的强大引力，能把咱们庞大的地球控制在现在的轨道，使之无法逃脱，但立足在地球上的你我，能感觉到太阳的引力吗？不能，就是这个道理。

所以说，你晚上没事瞥一眼天上随便哪颗星，还真别以为它跟咱一毛钱关系没有，关系大了——跟咱们的皮肤毛发骨肉心肝胃脾肾，以及身上的每一粒原子都有关系！

马赫认为，假设反过来，让水桶固定，而让其他万物绕水桶运转，效果是一样的。力的作用在宏观上是“相互”的嘛，马赫这小子不厚道，这是用牛爷的矛，去戳牛爷的盾。桶转，万物引力能让水出现抛物面；万物转，引力运动照样能让水面形成抛物面。任何一个物质，在没有其他物质的情况下，都无法判断它是不是在运动、以及作什么运动。

也就是说，无论哪种情况，水都是“相对”于其他事物转动的，运动是相对的，那么，空间也就是相对的。

这就是马赫表达的思想。由于这家伙的懒惰，害得本文盲多敲了这么多字。

关于水桶实验，后来有人欠扁地弄了一个加强版：

假设宇宙中没有其他物质，只有一只水桶，我们不知道它是转呢还是没转。然后，让这只水桶“下面”突然出现一只同样的水桶。这时，我们发现两只水桶相对在转动。

需要思考的问题是，新来的、先到的两只水桶：

怎样确定是哪只在转？或者是两只都在转？

哪只应该出现抛物面？或者都应该出现抛物面？或者都不应该出现抛物面？为什么？

正反两方众说纷纭，都能在这两只水桶中找到自己想要的答案。

路人甲：因为宇宙里只有这两只水桶，所以无论怎么说，它俩的相对运动都是平权的。你有我有全都有。

路人乙：平权就好办了，如果一只水桶转动，有抛物面，那么另一只相对转动的水桶也应该凹下去，必须的。平权嘛。

阿凡达：你以为水桶像你们人类那样无聊，看到其他水桶有抛物面，就去赶时髦，也去韩国把自己整出抛物面？它是不会因别的水桶有什么动作就改变自己的！

泔水桶：有道理啊，这就出现了矛盾。我以人民公桶的角度来看，如果我的抛物面被使用在这样万众瞩目的时刻，只会觉得非常荣幸。千万不要学某些国内文盲萝卜没有眼界和格局保守。因此，最合理的解决方案，就是它俩都没有抛物面。不可能出现一只水桶有抛物面，而另一只没有的尴尬局面。即使出现了，不用像世界末日那样 那么多人，这事我全权负责。淡定，小朋友，天，没塌。

芙蓉姐姐：两只水桶的宇宙，也能判断出谁转谁不转，那就是拿空间当参照系，我们可以判定哪只相对于空间转动，哪只相对空间静止。

9527：好吧大神，就算有一只转，另一只不转，请问你拿什么判断，哪一只是相对您的绝对空间静止的呢？你以为空间的造型是个S？

火星人：如果引入一个星系，就好办了，立即就能判断出哪只动哪只不动，动的那只一定有抛物面。

灰太狼：闭嘴，这不又回到牛爷的那只现实的水桶了吗？回你的火星吧！对了已经没有星球了。

和珅：要不，咱众奴才看看万岁爷是咋说的？

……

本文盲在这里不评论牛顿和马赫孰是孰非。事实上，关于水桶实验，现在仍在争论中。这，其实是绝对时空与相对时空的较量。

当然，我们必须正视一点，就是马赫的体系并不完善（这是废话，目前也没有谁的体系是完善的），他的理论中当然也有许多值得商榷的地方，但是，我们从他的思想里所收获的，不在于其完整性，而在于其开拓性。

马赫的思想就像撒落在春天田野的种子，很快在一些超级聪明的脑袋中生根发芽，亨利·庞加莱、皮埃尔·迪昂、赫尔曼·亥姆霍兹、古斯塔夫·Ｒ·基尔霍夫、威廉·奥斯特瓦尔德、理查德·阿芬那留斯、恩斯特·海克尔、J·B·斯塔洛、卡尔·毕尔生……他们都曾是马赫思想的追随者和宣扬者。早年的爱因斯坦和普朗克也在其中。

经典力学大厦开始动摇。

200字的题外话：关于马赫和爱因斯坦的故事。

他们的故事一点也不和谐。

马赫思想对爱因斯坦的相对论起到积极的作用，爱因斯坦甚至一度把马赫称为“相对论的先驱”，但马赫终生都没有接受爱因斯坦的相对论。后来爱因斯坦对马赫哲学进行了公开批判，比如：马赫或多或少地相信科学仅仅是对经验材料的整理；马赫哲学不可能产生出任何有生命的东西，而只能扑灭有害的虫豸（好像是在说灭害灵）；马赫喜欢跟着感觉走，靠感觉堆砌自己的世界，从而否定了物理“实在”这个概念……

后来，普朗克也站在了马赫的对立面。

是的，马赫哲学有缺陷。这毋庸置疑。

但是，任何批评也无损马赫作为伟大思想家的声誉，他的思想独立自主，他的批判心平气和，他态度公正，没有偏见，他热爱真理和明晰性……这些，都是一个伟大哲学家所必备的品格。

在两片乌云的笼罩下，经典力学的暗夜来临。马赫思想的悄然传播，进一步撼动了牛顿力学的根基。物理先锋们收回投向经典力学大厦的狐疑目光，向远方看去。

第十一章 相对论前传（下） 天际微白

11.1 伽利略相变换

伽~~利略变~~~换？那是以前的事吧亲？亲，都“微白”了，怎么又说回昨天傍晚了？

亲，没有昨夜，哪来今朝啊？

那好吧亲，伽利略我知道，“伽利略变换”又是个神马东东？

我长话短说，这事情，说来话长了（怎么都这毛病？）。还记得《关于两种世界体系的对话》吗？yes！正是伽利略写的那本不招教会待见的书。

在《对话》中，伽利略同志请咱俩上游轮，做了一个生活气息十分浓厚的实验，浅显地阐明了相对性原理，科了个普，还顺便告诉我们，什么是“惯性参照系”（也称惯性系）。嗯，我来描述一下，注意听哦，有些词很关键哦。

这一天春和景明，波澜不惊，上下天光，一碧万顷(后面的词自己背，沙鸥翔集...)…伽利略号飞快、匀速、平稳地航行在洞庭湖上。

师傅这船开得，那叫一个稳！以至于站在甲板上的我们，分不清是船在动，还是水以及远方的景物在动。

略哥带着我们走下船舱，七拐八拐进了一间密室，门窗一关，外面的世界瞬间与我们无关。

密室地板中央画了一根双向箭头，箭头两端各放一块纸板，一块上书“船头”，一块上书“船尾”；箭头旁有一只鱼缸，缸里有一条没心没肺一天到晚游泳的鱼；鱼缸正上方挂了一个漏水的袋子，羞羞答答、欲诉还休地向缸里滴水；还有两个空姐，略哥向我们介绍说，她俩一个叫小蚊，一个叫小蝇，你闻言瞠目结舌地看看她们又看看略哥，显然，她们为自己的名字感到难为情，我大手一挥慷慨地说，就叫她们小雯和小莹好了！空姐们闻言大喜，振翅而舞，绕着我们飞来飞去，一时顿感春意盎然。

“好吧，现在让我们来做实验。”伽利略这个没有情调的家伙，刚才把正在水际找岳阳楼的我们从碧水蓝天间弄到这里，现在一句话又让我们从春的憧憬跌回冰冷的密室！

“你你你……您老有何吩咐？”在人船檐下，不得不低头，咱俩异口同声应道。

“乡亲们，让我们猜猜看，现在，船是在走还是停了？哪个方向是船头？”伽利略神秘地问出两个问题。

“拜托，你那个船长把个船开得浮云一般神鬼莫测，我们刚刚在外面都闹不清，究竟是船动、水动还是心动，现在你把我们搞到这个比秦皇陵还严实的房间里，鬼才晓得船是动还是不动！”我可不上这个当，马上摆出了猜不出的理由。

但你比我机灵，立即抢答了另一个问题：“我知道，船头在那边。”说着，你的手顺着箭头，自信地指向写着“船头”那块纸板的方向。

“Oh，I’m 对不住你，看来我把两块纸板放反了，我汉字不熟。”伽利略说着把两块纸板对换了位置。你指示方向的手臂定格成路标，随着身体缓缓转向相反的方向，表情漠然。

“OK，OK OK OK，我宣布答案。”善良的略哥hold不住了，“现在，船在快速航行，船头的方向，就是现在箭头指向‘船头’纸板的方向。我们知道，运动是相对的。像我们的船这样，匀速直线运动的事物呢，就叫惯性参照系，简称‘惯性系’。”

略哥说着，看看咱俩似乎是懂了，放心地接着说，“不论船是匀速直线运动，还是停在水面上，船和船上所有的事物，都处于同一惯性系。这没问题吧？”

有道理。咱俩点点头。

略哥兴奋地说，“我认为，力学规律在所有惯性系中，都是等价的！这句话很重要哦。这就是说，只要我们的参照系属于惯性系，那么，不管我们是在船上还是在地面上，任你怎么鼓捣、折腾，所有力学现象都是一样的。这就是为什么我们在密室里感觉不到船是在走还是停，也不能辨别船行方向的原因。”

略哥边说边亲切地拍了拍咱俩的肩膀，“所以，猜不出这两个问题，说明你俩太~~正常了！就像没有日月星辰，我们也搞不清地球是否在转、以及朝哪转一样。”

伽利略停顿了一下，看了看作沉思状的咱俩，眉飞色舞地说道：“现在，这间密室里充满了我的论据。Look，尽管现在船在高速运动，水滴也象在咱们家卧室一样，垂直滴进下面的鱼缸，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已经跑出老远；鱼在水中游向船头船尾船舷任何方向，都不会更费劲或更省劲；两位空姐也是随便地到处飞舞，它们不会因为长时间在空中玩悬停，而偏向船尾，更不需要为了赶上船的运动而刻意向船头使劲。”

伽利略说着，从口袋里掏出烟斗点燃，一缕烟袅袅向上升起，“看，它不向任何一边偏移。”伽利略指着烟说道。

“总之这一切，就像发生在咱家卧室一样，并没有因为船在运动而产生任何差别，其原因在于，船的运动是船上一切事物所共有的，包括这件密室里的空气。”

伽利略说着，看看咱俩，目光落到你身上，他伸手把你指向船头的那只路标手按下，望着你的眼睛深情地说道：“虽然你很有诚意的看着我，但我知道你还是不信。这样好了，你试试看从船尾的方向朝船头的方向跳一下，再朝反方向跳一下，多试几次，看看所用的力度啊、跳出的距离呀什么的有没有差别。”

“哦耶！”行动力超强的你兴奋地同意了，立即开始在密室里跳来跳去。

“我去甲板找岳阳楼先，略哥要不要同去？”我边说边朝门外走去。

“嗯，好的我帮你找，带上我的望远镜。”伽利略答应着，转头向你说道：“完成最终试验的重任就交给你了！”准备再次起跳的你蹲在地上郑重地用力点点头。

还是甲板上好啊，湖面上波光鳞影，蓝天下云淡风轻，远山如黛，游人如织，偶有鱼鹰掠过、菱香袭来……船开得稳就是好，可以用天文望远镜看岳阳楼！真是别有一番滋味，一切仿佛触手可及，尤其是……“美女啊！”略哥瞪大望远镜后的眼睛叫道：“好多美女啊！”……

两个小时后，你大汗淋漓、气壮如牛地出现在我们面前，上气不接下气地宣布实验成果：“经过向船头跳、向船尾跳、向左舷跳、向右舷跳、5度斜跳、10度斜跳、15度斜跳……兔子跳、袋鼠跳、跳蚤跳……程菲跳、楼云跳、冢原跳、普罗杜诺娃跳、尤尔琴科系列跳……跳了一千~~~多次，我突然发现无论朝哪个方向跳，相同力度会得到相同的结果，唯一不同的是，我一次比一次累。”说完，悲壮地向远方望去，目光所及之处，风云变色。

“你真是太~辛苦了。”伽利略和我恋恋不舍地收起望远镜，异口同声七嘴八舌地向你慰问，六只大手紧紧地握在一起缓缓有力地摇了摇，坚毅二字写满我们悲悯的脸。

“根据我们刚才在密室广泛深刻的观测，以及你无微不至的跳跃实验，我们再次得出结论：力学过程对于静止的惯性系和运动的惯性系是完全相同的。引而伸之，力学定律在任何惯性系中都是相同的。这就是相对性原理。”伽利略凝望着汗牛满面的你，深情地说：“得出这一定律，你的跳跃功不可没，我决定，《对话》作者加上你的名字。你知道，这本书出版以后，我在教会的监牢里实在是太~~~寂寞了！”顷刻，你内牛满面。

画外音：遥想略哥当年，《对话》出版了，提出相对性原理，是为了应对地心说对哥白尼体系的责难，但它的意义远不止于此，它是经典力学的重要基石，被爱因斯坦称为“伽利略相对性原理”，是狭义相对论的先导。

“那么好吧，既然如此，就让我们进行下一个话题吧。”我感于你的献身精神，用因果关联词提出一个与前事毫无因果关系的建议。乘着大家在定格中搜索前因，我忙补充道：“其实我好奇的是，两个不同的惯性系，对同一个物体运动的看法会不会矛盾。”

伽利略长长地哦~~~了一声说：“这个问题很好很强大。这正是咱仨要解决的下一个问题。”

“是不是又有实验做？”你甩了甩脸上的汗水and泪水问道。

“恭喜你又猜对了！”伽利略转向你由衷赞扬道。

“那么这个实验……可不可以等我休息休息再做？”你挥汗如雨，诚恳地问道。

“当然可以！你可以全身心休息。因为我们要做的是思想实验。”伽利略同样诚恳地答道，“好的，现在假设，刘以达在船尾……”

“哈，刘以达？不就是在《大内密探零零发》里飘来飘去的那个女鬼嘛！为什么会是他？”我一想起这个欠扁的家伙就忍不住笑，所以打断伽利略的话，证实一下是不是重名。

“正是他。我们知道，对人类而言，做匀速直线运动实在是一套技术含量超高的动作，难度系数达到4.2，所以我们只能请刘大师出马。”伽利略说道，“我们的船现在航速是60码，刘大师以10码的速度从船尾飘向船头。那么在我们看来，他移动的速度是多少？”

“当然是10码了！”我毫不犹豫地答道。

“完全正确！”伽利略说着，指指在岸边求渡的和尚，第二个问题接踵而至“那么，在岸上那个和尚看来，刘大师的速度又是多少呢？”

“施主，可否渡贫僧过河？贫僧自东土大唐而来，去……。”咦？这句台词好耳熟啊！

“唐老师，您迷路了吧。您现在还在大唐。我们这个船只能做匀速直线运动，停不下来的，不好意思啊。”招呼完唐长老，我分析道：“根据幼稚园中班算术，60+10，等于70码！这样他才能在航速60码的船上以10码的速度从船尾飘向船头！是不是啊唐老师？咦，唐老师怎么换黑马了？”

“不错不错，贫僧看刘大师的飘速确是70码。黑马白马能上西天就是好马，当它还是白马时，贫僧总被错认为王子，遭到各路女妖跨省追堵，抢着睡我，发现不是王子，又抢着吃我，幸而这一路诸侯们喊着低碳推高碳，环境污染，它又不太讲究卫生，就变成了低调的黑马。下一班船几点？……”唐僧絮絮叨叨地说道。

分析完，我又突然觉得哪不对，疑惑道：“咦？同一个物体在运动，却得到不同的观测结果，还都是对的，这么简单的一个运动都没法统一意见，岂不乱了套了？还搞什么航天灰机，秦始皇统一度量衡没什么用啊！”

“所以，我们要想办法把意见统一起来。不同惯性系之间，一定存在它们相对运动的数据关系，我们取得这些数据，一定可以将彼此的观测结果相互转换。也就是说，我们能找到这样一个公式，只要知道两个参考系的相对速度，就能用一方的观测结果，换算出对方的观测结果。这样就真的和谐了。”伽利略顿了顿说，“可能你不以为然，因为刚才没用公式，你也算出了岸上唐老师的观测结果。这我知道。但你也要知道，观测对象的运动，极少像刘大师那样，与观测者所在两个惯性系的相对运动方向一致，让我们很容易就算出来。另外我们得知道，刚才算的相对运动只是一维的，而我们观测的运动一般都是三维的。”

“好！为了得到这个公式，我愿赴汤蹈火，再跳三~~千次也在所不辞！”你大义凛然地说道。此正是：

心怀重担肩狂痒，

脸沐和风汗暴消。

但使寻得公式在，

不畏险艰路迢迢！

“呵呵，这个公式嘛，只可智取不可力敌。跳，是没有用的。我们得请笛卡尔坐标系来帮忙。现在，我们船上的观察者在一个坐标系，原点（坐标轴交叉的点）就是这艘船的中心点；岸上的观察者在另一个坐标系，唐老师的中心点就是原点。” 说到这，伽利略转头看看笑得花枝乱颤的你，叹道：“唉，唐老师的腰带扣都能令你笑得这般淫荡，你真行。我画个图，咱们Look Look。”

你一看图，脸上立马洋溢着他乡遇故知的惊喜：“这我认识啊。不过印刷质量好像有问题，套色重影太过分了！”

“嗯，其实这是初中一年级学的直角坐标系，只不过我们现在把两个组合在一起，它们其中的一个轴重合。”伽利略苦口婆心地解释道，“红色的是唐老师的坐标系（唐系），蓝色的是我们的坐标系（船系）。不是套色重影。本来，船系在t时间前与唐系完全重合，现在，船系沿着粉色箭头的方向，以速度v匀速巡航。那个黑点P，代表刘大师。”

“哦~~~~~”你恍然大悟，随即又疑惑道：“不过，为嘛刘大师完美地飘了半天最后却只落个P啊？”

“有位哲人说过，生活就像拉屎，有时你已经很努力了，最终却连个P都得不到。刘大师已经很成功了。”伽利略说到这，话锋一转：“现在，谁知道刘大师此刻在船系的坐标是多少？”

“x’，y’，z’！”你强势抢答，我崇拜地看着你。

“恭喜你，抢答正确！”伽利略说完又提醒道：“不过你忘了时间。”

“t’！”你看了一下表补充道。

“唐老师！在你的唐系，刘大师的坐标是多少？”伽利略向唐僧问道。

“x，y，z，t。”唐僧走南闯北，东游西逛，广见博闻，数学可真不是盖的。他答完继续东张西望搜寻渡船。

“现在，我们很容易理解这两个坐标系之间的关系，由于船系相对唐系以速度v匀速巡航，在t时间里，我们走的距离就是vt，所以，x’=x-vt，或者说x=x’+vt’，这没问题吧？”伽利略循循善诱，让我想起我们的小学老师王大妈。

“没问题！”咱俩一齐点头道。

“那么，看看上面这个坐标系，y’=y，z’=z，t’=t，这也没问题吧？”伽利略诚恳地问道。

咱俩瞪大眼睛仔细看了看图说道：“没问题！”

“那OK了，现在我们、唐老师无论哪一方知道了P在己方的坐标和速度，套用上面的公式，都能变换出P在对方的坐标和速度，这下，就能统一意见了。是不是啊唐老师？”伽利略讲完向唐老师求证。

唐僧飞快地算了算，扬起稿纸应道：“善哉善哉，略施主的数学真是惊天地泣鬼神贫僧佩服佩服。敢问下一班船几点？”

“唐老师，这其实是一个湖，您老可以骑上白龙马沿岸而行，可达彼岸，遇河再渡不迟。”咱俩见题也算得差不多了，便热忱地回答道。

“阿弥陀佛，我说这条河怎么像东海一样阔。虽说误了些时辰，但学到大名鼎鼎的伽利略变换，也不虚此行。”好学不倦的唐僧策马绝尘而去。

画外音：唐僧虽然不认得妖怪，但对学问却是慧眼独具。经过略哥循循善诱的课程，现在对“伽利略变换”的概念表述，我们也不难读懂：

若O’-x’y’z’参照系沿着x轴方向以速度v相对于O-xyz参照系运动，且t=0时两参照系的原点重合，则两参照系之间有如下关系：x' = x ? vt、y' = y、z' = z、t' = t。

根据伽利略变换可知：两参照系描述同一运动的速度是不同的，但加速度是相等的。一切惯性系都是等价的。

伽利略变换是在低速下（远小于光速）的特殊数学物理工具，是牛顿力学的重要基石，反映了经典力学的时空观。

那么，经典电子论是怎么一回事？

一切得从当年那个年轻人的一篇论文说起。

1875年，22岁的洛伦兹写了一篇论文，起了个名，叫《光的反射与折射理论》，这个名字一点创意也没有，就像《文盲正侃时间史》。但它可是洛伦兹的博士论文，这是他后来创立电子论的根源，给个面子看看？嗯，内容好像蛮有创意，洛伦兹同学兴致勃勃地综合评述了光的旧波动理论与新电磁理论，评述完了还意犹未尽，提出了一个新的统一的设想。

怎么？又要统一了？喂，旁边这位仁兄醒醒了，科学理论统一的重大意义……你懂的……呃……谁和谁统一啊？

光的电磁理论与物质分子理论相统一。

哦？这件事办成了，岂不又是牛事一件？！

哈你又说对了，洛同学的理论进一步夯实了麦克斯韦电磁理论的基础，而且据此创立了物质的电子论。

就像电磁论一样，电子论十分的抽象晦涩，我们在这里只粗略了解下洛同学创建它的基本思路就可以了。

洛伦兹理论将“电磁扰动以有限速度传播”的概念，引入到“带电粒子之间的相互作用”之中。

那时，大家都认为，电磁扰动是通过以太传播的。我们知道，以太这个东西，洛同学还是比较喜爱的，他还专门对以太性质提出了自己的假定。他认为，既然宏观媒质可归结为悬浮在真空中的带电粒子，那么，媒质中的以太，就应该与真空中的以太一样，在密度、弹性等各方面的性质，都应该是一样一样一样的啊。不论媒质怎么折腾怎么运动，以太一动不动。

这样一来，复杂微观的电动力学方程，一下子变得简单明确，而宏观媒质的电动力学方程，也可以从这些简单的微观方程中导出。融会贯通是多么美妙的一件事！

洛伦兹认为，电本身，是由微小的实体组成的，这种“微小的实体”后来被称为“电子”，一切物质分子都含有电子。他以此为基础，来解释电现象，推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用。你知道的，这个力后来被叫做“洛伦兹力”。

这个天才很快变成了洛老师。

洛伦兹说，光是由原子内部电子的振动产生的，而磁场，会对电子的振动产生影响（洛伦兹力），也就是说，磁场会对光产生影响。

果然，1896年10月，洛伦兹的学生塞曼发现，在强磁场中，钠光谱的D线有明显的增宽，这个效应叫“塞曼效应”，证实了洛伦兹的预言。

塞曼效应是怎么一档子事？它是一个理论，一个定律，指的是，把光源放在磁场里，光源发射的各种谱线，会受磁场影响分裂成几条，各分谱线之间间隔的大小，与磁场强度成正比。

问题不怕研究，就怕深入研究，一深入，新问题就会层出不穷。正如婚姻，本来你以为这只与爱相关，但当你深入其中，却发现它与越来越多千奇百怪的事情密切相关，爱反倒退居其次……

又扯远了，再扯回来。塞曼同学一深入，发现，用洛老师的理论，虽然可以正确解释这一现象，却不能用实验证明它。于是，老将出马，一个变俩，洛老师坚定不移地与塞曼同学站在一起，并肩携手，反复实验，终于，得到了那个美妙的结局——他俩找到了问题症结所在，成功地完成了这个实验，证实了塞曼理论，从此过上了幸福快乐的生活，对不起其实应该说的是，从此，物理学多了一个经典定律——塞曼效应。

洛伦兹和塞曼师生俩因此共同获得1902年诺贝尔物理学奖。

现在，到洛伦兹变换式时间了，这是个神马东东？

首先，它是一个重要的公式，是后来狭义相对论的基础公式之一。

其次，它是个有故事的公式，因为不同的人，通过不同的方式，纷纷导出了这个变换式。

还记得卡文迪许和欧姆分别发现了欧姆定律吧，这类事情并不少见。就拿勾股定理、圆周率来说吧，勤劳勇敢智慧的全世界各族人民，分别在不同时间发现了它们，全是原创！

说到勾股定理，我们不得不道一声“神奇”。因为相对论之后，一些强人用勾股定理各种推导，居然通过不同的方法，推导出洛伦兹变换。当然过程有简有繁。稍繁一点的，可参见“从勾股定理到洛伦兹变换”等现代论文。在狭义相对论章节里，咱们就选一个最简单、物理意义较强的推导，代替爱因斯坦的“简单推导”，以助我们更好地理解其中的物理意义。

现在我们先看看洛伦兹变换式诞生的简要历程。

1889年，斐兹杰惹提出长度收缩假设，来解释MM实验。

1892年，洛伦兹也独立地提出了收缩假设，推导出长度收缩公式。

1904年，洛伦兹发表了变换式的正确形式。

1905年，爱因斯坦根据他的相对论原理，也推导出这一公式。

1905年，另一个大牛庞加莱对这个变换式进行改写，变成现在的样子，还将其命名为“洛伦兹变换式”。（1906年正式发表）

从这个大致过程可以看出，洛伦兹变换式的诞生是必然的。那朵乌云，看似不经意降落凡尘，却如影附形、驱之不尽，搞得地球物理界人心惶惶，逼迫大家必须搞出点什么来解决问题，洛伦兹变换式就这样接二连三地诞生了。各种版本。狭义相对论就像当初的万有引力定律一样，呼之欲出，就差牛顿降世，一统河山了。

关于这个变换式的归属权问题，虽然发生过一点争议，但它已然叫洛伦兹变换式了，所以我们还是从洛伦兹说起。

洛伦兹证明，用伽利略变换，把麦克斯韦的电磁场方程组从一个参考系变换到另一个参考系时，真空中的光速发生了变化。

发现问题了吗？最后那句：真空中的光速发生了变化！

也就是说，在伽利略变换里，光相对于不同的参考系，具有不同的速度！

这和前面说到的事实（实验结果）严重不符。光速是不变的啊！

问题出在哪？当然是伽利略变换出了问题！

为什么这样说呢？当理论与实验、观测发生冲突时，清醒的判断是，理论出了问题。事实是脚，理论是鞋，我们的祖先2000多年前就告诫我们不要削足适履了！

伽利略变换是牛顿力学开疆扩土的利器，在牛顿力学运动中屡试不爽，战功赫赫，但是，一遇到光速，立马不灵了。

运用伽利略变换，我们可以得出，刘大师在船系的速度是10码，在唐系的速度是10+60码。但倘若把刘大师换成一束光，那就麻烦了，我们船系测得的光速是C，运用伽利略变换，就得出唐系结果是C+60，反之，唐系若先测出这束光速度是C，就会得出船系结果是C-60。

在前面，我们已经无比纠结、无可奈何、无可置疑地承认了，光速就是C，它不会为光源怎样、参照系怎样而改变。爱谁谁。而伽利略变换的结果，与麦克斯韦方程导出的固定光速相矛盾，与MM实验的结果相矛盾，还与我们观测MM的结果相矛盾。这可咋办？！

莫急，历史告诉我们，在牛人辈出的地球上，乱摊子总会有人来收拾的。

1889年，爱尔兰物理学家乔治·斐兹杰惹提出长度收缩假设，来解释迈克尔逊-莫雷实验结果：

物质呢，是由带电粒子组成的。一般情况下，粒子间的静电是平衡的，粒子的间隔就是平衡的，于是物质就能保持一个稳定的形态。

当物质相对于以太运动时，带电粒子产生的磁场，就会改变粒子的平衡间隔，于是物质就会产生收缩。他还给出了数学关系，缩短的程度取决于“物体的运动速度对光速的比率的平方”。眼熟吧？看看上面麦克斯韦是怎么说的。

根据这一原理，斐兹杰惹说，迈克尔逊-莫雷实验用的设备也是如此，实验时，它指向地球运动的方向的长度缩短了，而缩短的程度，恰好使我们无法探测到以太漂移（光速变化）！

真的好巧哦！

1904年，洛伦兹的论文《在一个速度小于光速的运动系统中的电磁现象》发表，他先把电磁场方程进行变换，而后引入一组新的独立坐标，进一步完善了他的变换式。

1905年，庞加莱对洛伦兹变换进行了改写、简化，并命名为“洛伦兹变换式”，写入了《电子动力学》，于1906年发表。

虽然公式不如帅哥美女那么养眼，但看一眼既不要钱，又不要命，还没人要你负责，况且，人家又是那样的大名鼎鼎，所以，不看白不看：

这就是洛老师的第二个伟大成就，洛伦兹变换的由来。

对本文盲而言，洛伦兹和庞加莱的推导过程十分繁杂，各种符号眼花缭乱，看了头疼，输入手疼，占用篇幅心疼，所以在这里不表述具体推导过程，只表述他们工作的简要过程和结果。

爱因斯坦从他的狭义相对论原理出发，推导这个变换式的过程要简洁得多。他在科普作品《狭义与广义相对论浅说》中，全程介绍了“洛伦兹变换的简单推导”。但是，即使是“简单”的推导，我把打印出来，也有近4页A4纸那么多，对本文盲而言，还是过于繁琐了。

前面说过，后来有人用勾股定理结合光子的运动，更简洁地推导出了这个公式。咱就看最简单的那个。

所以，我们现在不必急着读懂这个变换式，也不必记住它，当个图腾欣赏一下就可以了。因为它的表达形式不止这一个。更主要的是，我们在后面还要用勾股定理推导出它的关键因子，在推导过程中，该明白的地方，自然就明白了。

虽然洛伦兹把他的方程作为一种纯粹的数学手段，来证明运动物体长度收缩理论，用以解决光速变化和以太漂移不可测的问题，但它与后来狭义相对论的思想暗合（虽然洛伦兹本人没意识到这一点），它使人们对物体运动有了新的认识，对后来人们普遍接受这一变换式，起到了重要的作用。

洛伦兹本人几乎成了19世纪末、20世纪初物理学界的统帅，他把危机中的经典物理学推上了它所能达到的最后高度，却又为推翻它的物理学革命埋下了伏笔。

当物理学革命的号角吹响，经典物理大厦轰然崩塌时，洛伦兹说，他感到遗憾的是，为什么没在旧的基础崩溃之前死去。但是，洛伦兹的个性是“超个人”的，他对旧体系价值的怀念和惋惜，很快被接受新事物的愉悦所取代，彰显了海纳百川的大师风范。

上面这些人、这些事，看起来很晕，是吧？

晕就对了，因为当时大家都很晕，所有物理学家都意识到，必须要做点什么了，于是纷纷行动，踏出千万条长长短短的小路，却不知路的那一端，该通向何方。

洛大师是其中走得最远的一个，但他也在唱那同一首歌：敢问路在何方？后面那句大家都会：路在脚下。听起来帅呆了，用起来摔呆了。

所以，还得接着晕。

11.2 群雄逐鹿

俗话说，乱世出英雄。十九、二十世纪之交，正是经典物理大厦遭遇空前挑战、“黑云压城城欲摧”之际。

破旧立新？说来容易，其历程之艰险，非亲历不能体会。单论其难受程度，好比我们倾其所有，依山傍海建造了一座宅院，功能齐全，正当我们生活在里面幸福得像花一样时，突然有一天发现这块地产权是别人的，这是一座违章建筑，并且隔三岔五流氓来袭，非常不适合人类居住，想找块地重建家园吧，却又无从下手，拔剑四顾心茫然，揪心啊！

揪心也得从头再来啊！

昨天所有的荣誉，

已变成遥远的回忆。

勤勤苦苦已辉煌两个世纪，

今夜重又走入风雨。

我不能随波浮沉，

为了我至爱的真理，

再苦再难也要坚强，

只为那些期待眼神。

心若在梦就在，

天生我才不能白来！

看成败人生豪迈，

大不了是从头再来！

（据歌曲《从头再来》改写，若原作者不爽，本文盲立即自己写一首替之）

经典物理王国四面楚歌，风雨飘摇，不止是前面介绍的光、以太出了问题，现在，速度和质量也出了问题！抛除了这些，物理还能剩下些什么呢？

如果说，前期光速的固执，以太的死亡撼动了经典物理的根基，给人们带来了恐慌和迷惘，那么现在，速度和质量的暧昧关系则宣告了经典物理大厦的垮塌，同时也昭示人们，这是黎明前的黑暗。

一切还得从运动带电体说起。

19世纪80年代，一切现象表明，对于运动中的物体，旧的理论已经力不从心，需要一种全新的“电动力学”来支撑，于是，研究运动的带电体成为当时物理界的热点。

斯时，群雄四起。

1878年，亨利·奥古斯特·罗兰（美国19世纪后半期最重要的物理学家之一，为美国基础物理学从边缘走向世界的中心起到了承上启下、继往开来的作用）指出，磁场能量驱使带电体运动，比驱使不带电体运动，一定要做更多的功。为什么呢？罗兰给出的理由是，驱使带电体运动，有一部分能量用在建立新磁场上了（带电体运动产生磁场），他管这叫“电磁质量”。

咦？果然新颖！

这一论断，让人们对质量和速度的神秘关系产生了强烈的好奇心，纷纷采取跟踪、蹲守、围堵、死缠、暗访、偷拍、窃听等各种手段，刺探质量与速度的隐私。

功夫不负有心人，此后，质量和速度的花边新闻，不断被爆料出来。

1881年，约瑟夫·约翰·汤姆逊（英国物理学家，电子发现者，1906年诺贝尔物理学奖得主，打开通向基本粒子物理学大门的伟人）发现，带电的物体比不带电的物体更难加速，也就是说，带电物体质量、惯性更大。太扯了吧？为什么？汤姆逊用麦克斯韦理论扒了扒，认为是“电磁质量”增加了物体的机械质量，电磁质量随着物体的运动，增加了一个常数。

“增加”了一个“常数”，是什么意思？私生子？干女儿？普通朋友？

不管是什么意思，一个很明显的意思就是，牛顿大人关于“质量是一个常量”的理论是错误的！

质量这个老实巴交的家伙，一个无厘头动作，就让牛爷下不来台。但是没办法，汤姆逊用实验证实了，这个无厘头动作，不是偶然，而是质量从娘胎里带来的，改不了了。

英国物理学家、天才狂人奥利弗·亥维赛（就是和赫兹改写麦克斯韦方程的那位，上节也有他，还记得吧）觉得汤姆逊老师的工作挺好玩，于是开始钻研电磁质量，他把电磁质量当成真实的物质质量来计算。

算来算去有了重大发现，于是在1889年，一个万众瞩目的场合，他对牛魔王说：我反对这门亲事！对不起口误，他说的是，他不同意汤姆逊老师的意见。

因为，物体运动，质量增加的不是一个常数，而是随速度增加而增加，速度越快，增加越多。

1897年，西尔（G.F.C．Searle）假设电子相当于无限薄的带电球壳，计算出质量随速度增加的数值。

同年，约瑟夫·拉莫尔计算了电子的电荷加速度，得到了与“洛伦兹变换式”等价的变换式，由此推出长度收缩和时间膨胀的结果。公式是得到了，可惜的是，拉莫尔并没有打算相信它，只是把这些作为处理数学关系的手段，而拒绝从物理上理解它。

1901年，沃尔特·考夫曼（德国物理学家）在确定镭C发出的β射线（快速运动的电子束）之荷质比的实验中，第一次证实了电子的电磁质量与速度难舍难分，关系分外亲昵，他断言，如果电子的电荷不随速度改变，那么，电子的质量就要随速度的增加而增大。在随后的一段时期，他尝试通过实验来证实相关理论，但最终，没能搞到证据——足够精确的数据。

1902年，马克斯·亚伯拉罕（德国物理学家）提出一个理论，把电子看作一种完全刚性的球形粒子，用来揭秘质量和速度的关系，描述得风生水起，还导出一种质量随速度增加的公式，搞得有板有眼，一时间，这个理论雄踞一方，在质量和速度关系的众多版本中，格外夺人眼球。直到1940年，才最终被推翻，此是后话不提。

同年，洛伦兹完善了“斐兹杰惹-洛伦兹收缩”的假说，顺便也完善了洛伦兹变换式，导出了电子质量随速度变化的关系式，这与后来狭义相对论的质速关系式相差无几。这个关系式告诉我们，没有什么物质可以到达光速，因为物体趋近光速时，其质量将趋于无限大。无限大的质量，当然需要无限大的能量来加速它，而宇宙再大，能量也是有限的。所以，洛老师据此指出，光速，是物体相对于以太运动速度的极限。

……

本来，质量这家伙在物理界，给人的印象非常好，是踏实、诚信、矢志不渝的象征，刚刚获得物理脊梁奖，没想到和速度这妖精搅合在一起，居然就测不准了！花边新闻层出不穷，这事搞得物理界很懵，但大家一向对偶像的庸俗化有一种潜意识的期待——原来你也跟我一样，于是很快就化悲愤为兴奋，趁此机会狠狠娱乐了一把。好吧，我们还是正经点，换成官方的语气来八卦这件事。

经典物理大厦的岌岌可危，使人们在恐慌、迷惘之后，思想空前活跃起来，对不断涌现的新鲜观念，各代表团讨论氛围热烈，发言积极踊，使人感到十分振奋。

历史他老人家告诉我们，百家争鸣，必然造就新的时代；群雄逐鹿，总会出现杰出的领袖。如果说，洛伦兹是上述这些牛人里的佼佼者，那么，与之比肩的，就只有庞加莱了。

要是有人说，这个世界上没有天才，那么我会这样质疑他：如果没有天才，怎么会有庞加莱？

爱迪生说，天才，是99%的汗水+1%的灵感。我反对这句话，理由是，庞加莱的灵感太多了，以至于他无法按比例流出那么多的汗水。

朱尔·亨利·庞加莱，法国数学家、天体力学家、数学物理学家、科学哲学家，这些头衔可不是凭空而来的，我们来看看这个天才的成果：

数学方面：在数论、代数学、几何学、拓扑学等许多领域做出杰出贡献，对20世纪和当今数学的影响极其深远，庞天才是19世纪末、20世纪初的领袖数学家。数学作为一门基础学科，是其他学科必不可少的利器。

天体力学方面：运用深厚的数学功力和深邃的科学哲学思想，成功地解决了太阳、地球、月亮间相互运动的“三体问题”等难题。“N体问题”是什么意思？就是N个天体引力啊、运动啊什么的相互关系，复杂得难以想象。三体问题有多难呢？这么说吧，“两体问题”是由牛爷解决的。“三体问题”牛爷未能解决，史上最伟大的两位数学家之一欧拉（另一位是高斯）也未能完全解决。1887 年，瑞典国王奥斯卡三世悬赏解决N体问题，没人能搞定N体，但庞加莱因解决三体问题，获得第负一届“奥斯卡奖”——2500 瑞典克朗和金质奖章。法国政府不顾瑞典国王的阻拦，兴高采烈地授予庞加莱“宪兵团荣誉骑士”称号。瑞典国王嘟囔：有冇搞错，我！我设的奖耶！庞加莱在天体力学方面的研究，被称为牛顿以来的第二个伟大的里程碑。

亲们，从相对论开始，只用眼睛接受文字信息，是看不懂的，需要一点点想象力。当然，这里指的是了解过相对论的初学者。楼里有很多大虾比萝卜懂得多，你们例外。

对时间、空间的讨论，需要在仔细阅读的同时，小小地思考一下。

为了更全面地了解相对论思想及起源，建议没仔细看近几节的大虾们，回头再看看。从暗夜传说开始，体会一下时间、空间的纠结。

其实，要让大家明白相对论的结论是怎么来的，只需两三个思想实验和一个简单推导就可以了，但是，这些，不足以让我们对相对论革命性的时空思想有一个自发性的、较为深刻的认识。所以，整个相对论前传，我们把当时各方的思想冲击大致列举了一下。

有一个比喻：赤壁之战是一场经典之战，很精彩，但是，如果在不知道前因后果的人群里（比方说意大利），直接演火烧战船，然后华容道，然后end，相信没几个人看得懂，甚至有的人会认为，这是一群荒唐的神经病在胡闹。

理论物理方面：在毛细管理论、弹性力学、流体力学、热的传播、势论、光学、电学、磁学、电子动力学等领域均有建树，他是现代物理的两大支柱——相对论和量子力学的思想先驱。重复一遍，“思想”先驱哦。

在他琳琅满目的成果中，随便拿出哪一项，都足以名垂千古。所以，他成为三十多个国家的科学院院士、一生载誉无数，就不足为奇了。

庞加莱生于1854年4月29日，逝于1912年7月17日，不到60岁，天妒英才啊！

随着当代数学多学科、高难度阶段的到来，以后不可能再出现像庞加莱这样既全且精的数学家了，所以，他是举世公认的最后一个数学全才。

这里我们要说的是，庞加莱在物理方面的部分工作。

1895年，庞加莱对当时MM实验的解释表示不满，他批评洛伦兹“过多地引入特设假设”。按照“长度收缩”这种假说，透明体在运动中，应该显示出双折射效应，但是实验并没有证实这一点。

庞加莱指出，要解释ＭＭ实验的结果，必须提出新的基本假定，揭示普遍性的物理规律，而不只是用来说明这个实验本身。

1898年，庞加莱在《时间的测量》一文中，批判了绝对时间、绝对空间和绝对同时性的概念，还提出了建设性的建议：承认光速在任何方向上不变是一个公设（这很重要）。他说：“没有这个公设，就无法测量光速。”庞加莱利用两个观察者、光信号和时钟，讨论了时钟同步和同时性的定义问题，得出了与后来狭义相对论相同的结论。

1899年，庞加莱开始研究电子理论，立有灼见：“要证明物质的绝对运动，或者更确切地讲，要证明可称量物质相对于以太的运动是不可能的。”他认为，原则上，绝对运动是不存在的，只有相对运动才有意义。次年，他进一步坚定了这一认识，公开质疑了以太的存在，预言再怎么折腾也找不到以太，并期待新理论的出现。再说一遍，他在期待“新理论”的出现！也就是说，这个天才已经意识到，牛爷的经典物理体系，即将成为过去。

1900年，庞加莱提出“相对运动原理”：“任何系统的运动必须服从同样的定律，不管它是相对于固定轴而言，还是相对于作匀速直线运动的可动轴而言。”注意：“固定”轴、“作匀速直线运动”的可动轴，都是惯性系哟！所以把这句话翻译过来，意思是：运动定律对于任何惯性系都是一样的。亲，我们一起记住这句话！

1902年，他在《科学与假设》中提出“相对性定律”，认为物体不存在绝对位置、绝对方向、绝对速度、同时性等。当然，这一定律的意义，只是对绝对运动的进一步否定。时间，时间！庞天才在时间上始终不肯踏出那一步。

1904年，在圣路易斯讲演中，庞加莱正式使用“相对性原理”一词，将其列入物理学六大基本原理，指出：“根据这一原理，物理现象的定律应该是相同的，不管观察者处于静止还是处于匀速直线运动。因此，我们无法辨别自己是否处于一个匀速运动系统中。”在这次讲演中，他说道：“也许我们应该建立一门新的力学，它的明显特征是，惯性随着速度增加，没有什么可以超过光速……旧的力学依然保持为一级近似，因为它对不太大的速度还是正确的，以致于在新力学中还能找到旧力学的影子。”现在看这句话，简直就是在预言狭义相对论的诞生！我们不得不膜拜这位天才惊人的前瞻性。什么叫高屋建瓴？NND这就是！

1905年，庞加莱证明，当系数L=1时，洛伦兹变换将形成一个群，这使变换的意义更加简明，庞加莱修正了洛伦兹的方程（当时洛伦兹得出的变换式在电荷和电流密度方面是错的），并命名了“洛伦兹变换”、“洛伦兹群”、“洛伦兹不变量”等。他进而在具有确定的正度规的四维空间中，使用不变量理论，还引入了四维矢量，使用了虚时间坐标。他还揭示出，洛伦兹变换恰恰是“四维空间绕原点的转动”，这对后来闵可夫斯基的“四维时空表示法”有直接影响。庞加莱是第一个在电子动力学中研究牛顿引力定律的人，他还使用了“引力波”这个词（当然这个引力波和后来广义相对论预言的引力波概念还是有区别的）。这段不必看懂，只要大致了解一下，在这几个方面，庞加莱所做的工作就可以了。

这些思想，零星地体现在他1904年末至1905年中期写给洛伦兹的信中，在《论电子动力学》中得到发展，这篇论文的缩写版发表于1905年6月（记住这个时间，很重要哦^-^），全文于1906年发表。

我们发现，庞加莱所定义的“相对性原理”，其实是1902年“相对性定律”的进一步拓展，还是强调相对运动的原理。在其后的几年里，他进一步强调和完善了相对运动原理。1908年，他在《电子动力学》中说道：“不管用什么方法，我们只能得到相对速度，物体的速度永远是相对于其他物体而言的。”

庞加莱由于幼年疾病，手不灵活，导致他长于理论而短于实验。有人说，如果庞加莱对实验科学和在理论科学的兴趣一样强烈的话，他可能会成为与牛顿相媲美的人。遗憾的是，如果只是如果，不是结果。

11.3 鹿死谁手

洛伦兹变换、长度收缩、四维空间、光速不变、质速关系、相对性原理……，到这里，狭义相对论似乎呼之欲出。

如果不仔细看，何止是呼之欲出，简直就是了！

所以，对于狭义相对论的所有权问题，存在过一些争议。

既然大家都有份，为什么要把狭义相对论归到当时默默无闻的爱因斯坦名下，而不顺水推舟地归到大名鼎鼎、如日中天的庞加莱、洛伦兹名下？！那样岂不是大家欢欢喜喜好过年吗？难道一向严谨精准的科学界，在这个问题上，脑子突然集体秀逗了？！！是不是是不是是不是啊？？！！！

当然不是。

那给个理由先啊！！有木有有木有有木有啊？？！！！

又木有你的份，你激哪门子动？理由当然有，何止是有，简直有的是！那是因为，他们虽然各自得到了狭义相对论的部分结果，却并没有得到狭义相对论的思想体系。

这样说吧，狭义相对论是一头大象，众位盲人都只是摸到这头象的一部分，他们谁也没认识到，这是一头活生生的大象！

证据就是，后来爱因斯坦的狭义相对论建立起来以后，他们既不信也不懂。建立一个自己不信也不懂的理论，可能吗？

既然有争议，那就从走在最前面、最可能有份的两位先驱说起吧。

哪两位？当然是摸象摸得最多的洛老师和庞天才了！

先说洛老师。

1909年，洛老师他在《电子论》中写道：俺的理论和小爱同学理论的主要差别在于，他使我们看到，光速不变、以太测不出，是普适的基本原理，而不是因为我们认为的收缩啊、测量手段啊等“补偿效应”引起的。这是洛伦兹自己承认的，他的认识与狭义相对论不同。

1915年，他总结自己没能提出相对论的原因：“如果我现在必须写最后一章，我一定给爱因斯坦的狭义相对论一个更为重要的地位。根据这一理论，运动系统电磁现象的理论达到了我没有获得的简明性。我失败的主要原因是墨守陈规，只把时间t作为真实的时间，而把地方时间t’仅看作一个数学辅助量。”洛伦兹提出了变换方程，却把它作为一种纯粹的数学手段，取得了正确的结果却不了解它深层的、真正的意义。

再说庞天才。

庞加莱长期对相对论保持缄默，这本身就反映出他始终都没有领悟相对论的深邃思想。而在庞加莱看来，相对性原理的数学意义远大于物理意义；对于真空中的光速，庞加莱没有它看成是一个普适常数，而坚持认为光对于以太才是不变的，虽然他质疑过以太的存在。他认为，光速测量的不变结果，是由于收缩导致的测量上的假象（补偿效应）。这与爱因斯坦相对论的根本思想相差甚远。

所以，尽管庞加莱得到了建立相对论的材料，却未能上升到相对论的高度。这样说很晕？那这样说吧，庞加莱搞到了鱼翅、海参、鸡脯、鸭肉、鸽蛋、香菇、冬笋、羊肘、猪蹄筋等等一大堆好食材，却不知道这些食材，再加上干贝、鲍鱼什么的，辅以考究的烹饪，就可以做成一道秒杀众生的名菜：佛跳墙。

试想，庞加莱对建立新力学期待已久，如果他窥见了其中的奥秘，岂能放过亲手建立它的机会！

直到他去世前不久，他还没有承认，他所预言的那个新力学已经被爱因斯坦建立起来了。他在给爱因斯坦写的推荐信中写道：爱因斯坦先生是我认识的最富创见的思想家之一……每当物理学出现了问题，他很快就能设想出各种可能性，预言一些新现象。我的意思并不是说，所有这些预言都会被证实，如果有可能做检验的话。相反，既然他是在多方面探索，我们就应当想到，他所走的道路，多数是死胡同。

我们现在都知道，这是庞天才最失败的一个预言。

赤兔马有了，青龙偃月刀有了，甚至还有了一张红脸、两只凤眼、五缕长髯，但是很遗憾，这人不是关二爷，怎能过五关斩六将？！

狭义相对论思想就是关二爷。

根据光速不变、带电物体加速质量增加等现象，推导出洛伦兹变换、长度收缩、质速关系等方程式是必然的。关键是，谁能窥透其中的奥秘，构建一个完整的思想体系，提纲挈领，揭示本质，不仅能得出这些推导结果，还能解释这些现象，由表及里融会贯通、和谐互洽。

我的心在等待。永远在等待？

不，他来了。

tianya -33

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