经过了漫长的前面两章的阅读,我们终于要开始真正进入到相对论的世界了,如果说相对论是隐藏在山谷中的桃花源的话,那么正是“光”引导着懵懂的人类拨开草丛,沿着蜿蜒的小溪进入一个幽暗的洞穴,穿出洞穴,然后一切豁然开朗,桃花源就在眼前。
说相对论就必须要谈谈人类对光的传播速度的探索历程,你必须再耐着性子,压着对相对论到底是什么的强烈好奇,和我一起回顾一下人类和自然界中最普通也最神秘的光的故事(不是罗大佑的光阴的故事,而是光的故事),注意,这绝对不是废话,“光”是本书最重要的主角之一。
伽利略吹响冲锋号
在人类漫长的历史中,曾经大家一度认为光线的传播是不需要任何时间的,也就是光的传播速度无限大。这非常符合我们的常识,你在漆黑的房间里面划亮一根火柴,火柴的亮光发出的那一刹那,整个房间就被照亮了,谁也没有看到过自己的手先亮起来,然后是自己的脚再亮起来,再看到房间的墙壁慢慢从黑暗中显现出来。当太阳从山后升起来的那一刹那,地面上所有的东西都同时披上了金色的外衣,谁也没有看到过阳光像箭一样朝我们射过来。
但是,在今天,连小学生都知道,之所以我们无法感觉到光的传播速度,不是因为光的传播不需要时间,而是光传播的速度竟然达到惊人的30万公里/秒。这是一个多么快的速度啊,如果用这个速度跑步,一秒钟可以绕地球7圈半。如果用这个速度从地球跑去月球,1秒钟多一点就到了,而目前人类最快的飞行器阿波罗登月飞船要飞4天。你可能很好奇,这么快的速度,到底是怎么测量出来的?这正是本章要讲述的故事——测量光速。但是所有参与这个故事的人都只猜到了开始,却没有猜到结局,人类对光速的测量本是一个普普通通的物理实验行为,没想到最后却给整个经典物理学说笼罩上了一层乌云。
第一个对光速无限大提出质疑的人就是我们的老熟人伽利略先生。伽利略从哲学的角度思考,认为物质从一个地方到达另一个地方不需要时间是一件无论如何都无法想象的事情,上帝既然创造了空间,那么就不应该再创造出可以无视空间存在的东西。伽利略毕竟是伽利略,他不仅仅是停留在对光速无限大提出质疑的层面上,而且开始着手用实验来测量光速。
我们来看看伽利略是怎么做的。伽利略一行四人,分成两组,分别登上两座相隔甚远的山峰,每组各自携带一个光源。很不幸的是,那个时代能够让伽利略他们挑选的光源只有两样:火把和煤油灯。伽利略他们只好带上两盏自己改良后的煤油灯,其实只是做了一个简单的改进,就是在煤油灯的一面加上了一个滑盖,这样亮光就被挡住了。如果把滑盖迅速地拉起,亮光就会照射出来,通过快速地拉动滑盖就能制造出从远处看来煤油灯一闪一闪的效果。除了两盏煤油灯外,还需要两只一模一样的钟摆计时装置(这种装置也是伽利略发明的,利用钟摆的等时性原理制成,是摆钟的前身),以及记录数据的纸笔。好了,这就是伽利略他们全部的装备。各位如果你们现在来到山顶,拿着这些装备,得到的任务是测量光速,你会怎么办?你是不是会一筹莫展呢?且看我们的大科学家伽利略是怎么做的吧。