伽利略曾经写过一个生动的故事,说如果我们被关在一艘大船的船舱中,你带上一些小飞虫,在舱内放上一只大水碗,里面养上几条鱼,再挂起一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个水罐中。然后你开始观察飞虫的飞行,观察鱼的游动,观察水滴入灌,但是不论你多细心地观察,你也不可能通过观察这些情况来判断船是静止的还是处于匀速直线运动中(这个故事是在我们中学的物理书中被称为萨尔维柯蒂之船)。同样,你所有试图用力学实验的方法来判断船的状态也都是徒劳的,不管你做什么样的力学实验,都不可能判断出船的状态。
我的想法是,不仅是做力学实验不行,你在上面做任何物理实验,不论是光学、电学还是热学实验,你都无法判断出船到底是静止的还是正在做匀速直线运动,上帝不偏爱任何物理规律,在惯性系里面,众生平等。
这就是我爱因斯坦的相对性原理,它比伽利略的相对性原理更简洁、更深刻、更优美,我很难想象它会是错的。
根据这个原理,真空中的光速必定是恒定不变的,如若不然,那么我就可以通过做光速测量实验来判断萨尔维柯蒂之船到底是静止的还是运动的。
小爱想到此节,立即拿出昨天那张稿纸,在昨天写的那句话下面又加上了一句话:“在任何惯性系中,所有的物理规律保持不变。”写完他马上匆匆收拾东西回家了,再不回去,老婆又该冲他发火了。
(读者:“你对老婆发火一事真有情结,你也很怕吗?”作者:“超级怕,理解小爱。”)
这天晚上躺在床上,爱因斯坦失眠了,对妻子的暗示也置若罔闻,他满脑子都是草稿纸上的那两句话。说实在的,小爱觉得物理学中蕴涵的奥秘比身边的妻子更值得迷恋,他心底里有点后悔大学时过于冲动,干了不该干的事情,但是总该对米列娃负责吧,想起自己的婚姻,小爱总是觉得有点无奈。这些东西还是别多想了,草稿纸上的两句话在爱因斯坦的脑袋中一遍遍地显现出来:
一、在任何惯性系中,所有物理规律保持不变。
二、对于任何参考系来说,在真空中的光的传播速度都是一个常数C。
这两句话就像一个魔咒,在小爱的脑中挥之不去。如果说,我的思考是正确的话,这两个假设成立,那么到底意味着什么呢?如果一个人在一列以速度V行驶的火车上,用手电筒打出一束光,那么从站台上的人看来,这束光的速度难道不应该是C+V吗?但如果真的是C+V的话,明显又和我上面写的两句话相抵触,看来我要么放弃简洁优美的相对性原理,要么放弃我头脑中对于速度理解的旧习。如果一只小鸟也在车厢里面以W的速度飞,从站台上的人看来,小鸟的速度显然应该是V+W,对这个观念,现在没有人会否认,但是,凭什么我们对小鸟的结论也硬要安在光的头上呢?我们对光速的认识太浅薄了,相对于光速,不论是小鸟还是火车,都低得可以忽略不计,我们生活在一个速度低得可怜的世界里面,在这个世界里总结出来的规律难道真的也可以适用于高速世界吗?在火车上的人和站台上的人看到的光速都仍然是C,这个结论为什么会让我们感到奇怪,还是我们一相情愿地把我们在低速世界的感受直接往高速世界无限延伸,但其实并没有什么逻辑必然性,我们应该果断地抛弃我们的旧观念,接受新观念?
小爱不再纠结了,他决定断然的接受光速恒定不变这个新观念,以此为基石,继续往下推演,看看到底会得到些什么结论。不论这些结论是多么的光怪陆离,我们至少应该有这个勇气往下想,再奇怪的结论也可以交给那些实验物理学家们用实验去检验真伪。
小爱想起了自己非常崇拜的古希腊数学家欧几里德(希腊文:Ευκλειδη,约公元前330年至前275年)先生,他写的《几何原本》一直是小爱少年时代最钟爱的书,欧几里德从5条公理、5条公设出发,推导出了23个定理,解决了467个命题,这种从基本的几个公理出发,逻辑严密而又无懈可击的推导过程,让少年时期的小爱深深地感受着数学之美。他还记得当自己第一次亲手证明出三角形内角和是180度时候的兴奋,还记得自己苦苦推导两个月,终于亲手证明了毕达哥拉斯定理(勾股定理)时的激动,这些小时候的事情历历在目。那么现在是否可以从几何学的公理思想出发,把光速不变作为一个基本公理,在此基础之上往下推导呢?小爱想着想着,眼皮开始发沉,意识逐渐模糊起来。小爱睡着了,他做了一个梦,这个梦非常精彩,虽然小爱第二天起床以后把这个梦的情节忘记掉了,证据是在他以后的著作中再也没提到过梦中的情节,但是显然这个梦中的结论他没有忘记,证据是在他以后的著作中以另外一个不同的故事描述了同样的结论。但从笔者的角度来看,小爱这个梦远比他后来自己写下来的故事要精彩得多,下面让我把小爱的这个梦记述下来: