小實驗捅破舊理論巧裁縫難補百衲衣

梁衡

上回說到普朗克等多位物理學家在布魯塞爾高高興興地聚會，普朗克問愛因斯坦何不索性入伙，全力來攻量子論。愛因斯坦提醒他不要忘了物理學的天空上除“黑體輻射”外還飄著另一朵烏云。各位讀者，你道這朵烏云是什么，這便是那權威的“以太說”，突然遇到了挑戰(zhàn)。

原來自從牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學之后，這物理學的大廈真是金碧輝煌、美妙之極、無以復加。難怪當年普朗克的老師都勸他再不要在物理研究上打什么主意。牛頓力學是一把萬能鑰匙，好像凡自然界的現(xiàn)象都能用它一一解釋。你看偌大個宇宙都在牛頓的手中掌握，伸手一指，那隱匿極深的海王星就趕快前來報到，再掐指一算，外出76年的哈雷彗星也要按時回來復命。另一面它又成功解釋了我們生活中諸如拉車、走路、流水、刮風等雞毛蒜皮的小問題。于是力學的分支越來越多，如流體力學、剛體力學、彈性力學等等，人們也越來越愿意把一切運動變化都歸結(jié)為簡單的力，如：“化學親和力”、“生命力”、“光反射力”、“電接觸力”等。仿佛世界上的一切都可以套用機械的力學來解釋。

牛頓的“力”這樣神奇，那么它通過什么傳遞呢？推車得用手抓住車把，碧波蕩漾離不開水，聲波傳播離不開空氣?？墒?，地球離太陽一億五千萬公里，這之間既無水也無空氣，太陽借什么媒介來施展自己的引力呢？物理學家們又想出一個假設，說宇宙間充滿一種很稀薄的物質(zhì)，天體或其他物體間的作用就靠它作媒介，笛卡兒借用古希臘的哲學名詞，叫它為“以太”。此說一起，許多難題果然迎刃而解，引力靠以太傳播自不必說，法拉第的電磁力也離不開它，麥克斯韋證明光也是一種電磁波，當然光的傳播也就離不開它了。更重要的是，以太的存在正好說明牛頓的絕對時空觀，有了這么一個絕對靜止的以太才會有地球、太陽等一切相對于它的運動，要不那些星球的運動拿什么來參照？以太成了19世紀中期物理學家們最溫柔的保姆，成了他們可以信賴的上帝。

但是總有一些聰明、勇敢的人在一種迷信和一片虔誠中首先提出問題。這以太既然無處不有，為什么我們就感覺不到呢？另外，光波是一種橫波，橫波必得由固態(tài)介質(zhì)傳遞，以太就該是固態(tài)了，但這樣一來就等于我們被澆鑄在一個透明的以太玻璃球里，可是又不影響我們隨意的動作——這真是太不可思議了。

有疑必定有問。事有湊巧，1884年，那個治學嚴謹，輕易不外出講學的湯姆生終于被請到美國來做報告了。美國當時比起歐洲來科學很是落后，它就想方設法請名家來講學，以后還重金聘請人才。湯姆生的到來自然是一大喜訊，報告那天科學界人士濟濟一堂。報告休息時大家又擠到這個世界名人跟前七嘴八舌地問這問那，自然也提到那個神秘的以太問題。湯姆生說：“以太到底是否真有其物，現(xiàn)在還不能定論。我們只知道地球是以每秒30公里的速度繞日運行，那么迎面就應該有一股以太風不斷吹來。如誰能用實驗證明了這股風的存在也就證明了以太的存在，但這要靠實驗?！庇质钦f者無心，聽者有意。這時在人群里有一無名青年，聽到權威湯姆生的這句話心中不由一動，一個新研究課題便咔嚓一聲在腦子里掛上鉤了。

這個青年就是邁克爾遜（1852～1931年）。他原是德國人，2歲時父母帶著他漂洋過海到美國來謀生。17歲時他考進海軍學校，在海軍服役期間省吃儉用積攢了一點錢，便于1881年到柏林、巴黎等地留學了兩年，然后又重返美國。真是人各有好，邁克爾遜被光的各種現(xiàn)象迷得如醉如癡，在歐洲到處拜師訪書，專解這方面的謎題。他在歐洲還親自研制了一臺可以測定微小長度、折射率和光波波長的光的干涉儀。就是用這臺干涉儀他于1902年測算出了獵戶星座一等變光星的直徑為兩億四千萬英里，大約是太陽直徑的三倍，這是天文學史上第一次準確地測量星球。運用光來搞測量實在是邁克爾遜的拿手好戲。

再說邁克爾遜在人群里聽了湯姆生的話，心中一動，回來后就開始研究找以太的辦法。他想地球這只小船在以太海洋里以每秒30公里的速度航行，我如果向逆著以太風的方向和垂直于以太風的方向同時射出一種東西，根據(jù)經(jīng)典力學原理它們的合成速度肯定不同。如果能測出這種差別不就證明以太確實存在了嗎？用什么東西來做這種實驗呢？這當然是他得心應手的武器——光。他這樣不斷地研究改進，到1887年終于在與莫雷的合作下完成了物理學史上那個著名的實驗。這年愛因斯坦才八歲，他萬沒想到一個物理學前輩現(xiàn)時正在為他向相對論進軍掃清道路呢。

邁克爾遜的實驗裝置是這樣的：在一個大水銀池中漂著一塊堅固的大理石板，這是為了既能靈活轉(zhuǎn)動又不致?lián)u晃，從石板一側(cè)發(fā)出的一束光打到石板中心的玻璃上。玻璃成斜角，上面有一半鍍一層銀，這樣射來的光線就被分成兩束，一束照直穿過，一束反射到與光線來路垂直的方向。這兩束光走過相同的距離后分別在石板邊的兩面鏡子上再反射回來，匯合在望遠鏡的鏡頭里。因為光線分成90°角，一束是逆以太而行，那一束必是垂直于以太而行，兩束光的速度便應該有差別。這可以根據(jù)它們在望遠鏡頭里匯合時的干涉現(xiàn)象來確定。讀者也許要問，光速這樣快，你這塊石板能有多大，就是有差別也難測出。但是你要知道地球也在以每秒30公里的速度前進，那么逆著以太的光和橫向的光每秒也應相差30公里。而邁克爾遜這個制造儀器的高手，他的干涉儀就是一億分之一秒的光行差也能測得出來。

再說邁克爾遜和莫雷架起這臺儀器，他們先測了一次，從望遠鏡里看正是最大亮度，這說明兩束光是同時返回的，它們的速度相同。邁克爾遜又把儀器轉(zhuǎn)一個角度，這塊大石板在水銀上極平穩(wěn)靈活地滑動一下，鏡頭里的光仍是和剛才一樣的亮。他真有點納悶，干脆把石板輕輕推著繞著圈觀察?？墒菬o論他將儀器轉(zhuǎn)成什么角度，看到的結(jié)果仍然不變。他眼睛都看疼了，便喊莫雷繼續(xù)來看，莫雷又把那個石板像推磨似的推了幾圈，喊道：“邁克爾遜先生，仍然看不出什么差別，怕是我們的儀器靈敏度不夠吧？”

“不可能。這臺儀器我已經(jīng)把它調(diào)到連植物在一秒鐘內(nèi)的生長量都可以觀察到。如果有以太存在，每秒30公里的光行差是一定能夠反映出來的。”

“那就說明以太在隨著地球作百分之百的移動，我們應該盡量離開地面，到高空試試是否有以太漂移。”

但是邁克爾遜和莫雷把他們的裝置搬到高山頂上，甚至隨著氫氣球上升到半空，還是測不出這種以太引起的光行差。結(jié)論只可能有兩個：要么是地球根本就沒有動，要么以太這東西根本就不存在。但無論哪一條都是一說出口都叫人目瞪口呆的新聞。這天體運動經(jīng)哥白尼發(fā)現(xiàn)到牛頓最后證明是絕不能懷疑的。相比之下倒是以太說還有一點漏洞，看來宇宙間根本就不存在什么以太。邁克爾遜本是想以精確的實驗為以太的存在提供證據(jù)，不想結(jié)果適得其反，從根本上否定了以太。一個小小的實驗卻戳破了人們想象中的宇宙。

正是：本欲門上去貼金，手只一碰戳破門。原來大門是紙糊，何必為它費苦心！

這邁克爾遜實驗實在精巧，后來愛因斯坦曾有一段話專門評價他道：“邁克爾遜實驗得出了一個任何人都應當理解的真正偉大的結(jié)果。我總認為邁克爾遜是科學中的藝術家。他最大的樂趣似乎來自實驗本身的優(yōu)美和所使用方法的精湛。他受過的數(shù)學或理論訓練很少，又沒有理論方面的指導，卻能夠設計出邁克爾遜-莫雷實驗，那是非常驚人的。”

再說邁克爾遜的實驗結(jié)果一宣布立即在物理學界引起一場軒然大波，本來萬里無云的藍天上突然出現(xiàn)了一朵烏云。因為以太一旦被否定，城門失火，殃及池魚，那牛頓力學的絕對時空觀將要從根本上動搖。已經(jīng)伴隨人們過了兩個世紀，指導物理學家做出無數(shù)發(fā)現(xiàn)的牛頓力學現(xiàn)在突然失靈了，經(jīng)典物理學家金碧輝煌的大廈突然出現(xiàn)了裂縫。于是各國的物理學家們紛紛提出各種方案來挽救以太，總希望邁克爾遜的實驗能有另一種解釋。

1892年英國物理學家斐茲杰惹（1851～1901年）提出了一個挽救以太的好辦法。他假設一切物體在自己的運動方向上都要收縮，而且還給出一個公式，收縮的大小隨運動的速率而增加。每秒運動11公里的物體，收縮十億分之二左右，每秒運動26萬公里的物體，收縮50%。物體運動的速度達到光速，它在運動方向上的長度就變?yōu)?。長度的收縮不會出現(xiàn)負值，所以光速也就是宇宙中所能達到的最高速度。這就是有名的斐茲杰惹收縮。按照這個假說，邁克爾遜在實驗時，順著地球運動方向的兩塊鏡面間距離就會變短，這正好彌補了光束逆以太傳播而減少的速度，所以并不影響它和另一束橫向光同時返回到觀察鏡里。

還有一位荷蘭物理學家洛倫茲（1853～1928年）1904年提出一個更嚴密的假設，他在一篇論文中說：當電子在以太中運動時，電子將會從圓球變?yōu)闄E球（它沿運動方向的半徑變短）。這樣收縮說就更有根據(jù)了。好個洛倫茲，為挽救以太，竟一口氣提出了11個方案。他還提出了著名的“洛倫茲變換”，說明相對運動的坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系。和斐茲杰惹的長度縮短相似，洛倫茲又提出當電子運動的速度達到每秒26萬公里時，質(zhì)量會增大100%；而達到光速時，質(zhì)量無限大，這當然不可能，又正好說明光速是一個極限。

光速既然是一個極限，邁克爾遜的實驗又證明了無論哪個方向上的光束都是一樣的速度，這不就是一個實實在在，干凈利索的結(jié)論嗎？何必又要把以太扯進來呢？而且以太既然是靜止不動的，它絲毫沒有自己的速度、質(zhì)量，這和不存在又有什么差別？正像一個舊王朝被推翻之前，總有人千方百計地想出許多改良政策以延長其壽命。一個舊學說被拋棄前，人們也總是想把新事物和舊理論統(tǒng)一起來，希望它還能維持住它的權威?？墒沁@以太說已經(jīng)如同一件老和尚的百衲衣，補丁實在太多，縱然有斐茲杰惹、洛倫茲這樣的好裁縫也實在難以補綴了。

各位讀者，說到這里容我們做一簡單回憶。大凡一個新學說誕生之前人們總要演一出《霸王別姬》或《長亭相送》之類的戲，以表述自己對舊學說不能長存的哀怨和惋惜。想那哥白尼體系誕生前夕，托勒密體系已搖搖欲墜，大量的天文觀察已證明它誤差太多。為修正這種誤差，人們假設行星按均輪軌道繞地運行時自己又按本輪運行，一個本輪不行，再加一個，一直加到18個，真是不厭其煩。在氧氣發(fā)現(xiàn)前夕，燃素說開始露出破綻，參與燃燒的物質(zhì)會減輕重量，就說這是燃素跑掉了?？墒怯袝r反而會增加重量，這時就說燃素有負重量。在能量守恒定律發(fā)現(xiàn)之前，人們不知道熱能是運動的形式，而說物體的冷熱是熱素在來回流動。但是一個老婦人無論怎樣梳洗打扮也是不能當作新娘出嫁的。這種改良性的假設總不能維持長久。時間越長，危機越深，結(jié)果便是一場必然到來的革命，這就是哥白尼、拉瓦錫、焦耳的出現(xiàn)?，F(xiàn)在以太說經(jīng)邁克爾遜在1887年捅破之后，人們修修補補，勉強維持到1905年，這時有一個年輕人再也不愿接受這種改良了，于是便振臂一呼，提出一個革命性的學說。此人到底是誰，且聽下回分解。

本欄編輯：姜煒