第一个原理:光速不变
专利局的工作结束后,小爱总是不急于回家,而是坐在办公室里,用自己用完的草稿纸卷起一根纸烟,点燃,深吸一口,往椅子上一靠,开始了他的思考:
光为什么传播得那么快?因为它是一种电磁波,电磁波是怎么传播的呢?根据麦克斯韦那组漂亮的方程组可以看出来,因为振荡的磁场必然产生振荡的电场,而振荡的电场又必然产生振荡的磁场,如此循环下去就成了电磁波。那么,我是不是可以这样认为,电磁波的传播速度正是第一个“振荡”引起第二个“振荡”的反应速度呢?嗯,没错,这就好像一队人站成一排报数一样,听到1的人报2,听到2的人报3……光速其实就是这个报数的传递速度,它和我们常见的小球或者火车的运动速度显然有着很大的不同。火车从这里运动到那里,那就是火车这个实体的位置从这里移动到了那里,但是电磁波,也就是光,它的传播速度其实是“每一个报数的人,他们的反应速度”,真空充当的就是这个报数人的角色,而交替变换的电、磁场就是报出去的这个“数”。
1865年,伟大的麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》中证明过,电磁波的传播速度只取决于传播介质。到了1890年,第一个在实验室中发现电磁波的天才赫兹也明确地指出,电磁波的波速与波源的运动速度无关。麦克斯韦的方程组实在是太美了,我深信蕴涵如此深刻数学美的理论一定是正确的。
电磁波的速度和波源的运动速度无关,也就是光速和光源的运动速度无关,让我来想象一下这是什么概念,当我朝平静的湖中扔下一颗石子,不管我是垂直从上空扔下去,还是斜着像打水漂一样地扔过去,这颗石子产生的涟漪都应该以相同的速度在水中扩散出去。
我们可以做这样的一个思维实验:假设我现在一个人在黑漆漆的宇宙中飞行,虽然我飞得跟光一样快,但是因为没有任何参照物,我感觉不到自己的速度,就我自己的感觉而言和静止是一样的,这时候如果我身边有一束光,或者一个电磁波,我将看到什么呢?一束和我保持相对静止的光吗?一个静止的电磁波吗?也就是看到一个虽然在振荡的电磁场,但是它却不会交替感应下去吗?哦,不,这显然违背了麦克斯韦的方程组,波的速度和波源的运动速度无关,虽然我在以光速飞行,不论是我自己用发生装置发生一个电磁波还是我飞过一个电磁波发生装置,我看到的电磁波都应该是相同的,因为介质没有变。我将看到一个振荡中的电场能够产生振荡的磁场,而一个振荡中的磁场又能够产生振荡的电场,这个交替反应绝不会停下来。如果再想象一下报数的情况,如果我和这队报数的人都在一节火车车厢中,火车高速行驶,但是我并不能感觉到火车是静止的还是运动着的,我会看到报数人的反应速度提高了吗?这也显然很荒谬,火车跑得再快也应该跟报数人的反应速度无关,我应该仍然看到他们以同样的反应速度传递着1,2,3……才对啊。
这么说来,光速相对于任何参照系来说,应该都是恒定不变的。哦,我这个想法实在有点疯狂,但是MM实验怎么解释呢?MM实验得出的最直接的结论不就是光速不变吗?为什么我们首先要把这个简单的结论复杂化,想出各种各样的理论和假设来否定光速不变呢?为什么我不先承认这个实验结果是正确的,然后再去考虑怎么解释这个结果呢?