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《第2章 以太?》




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更新时间:2017年8月05日

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返回柔软的宇宙:相对论外传

第2章 以太?

     光是什么?光的传播需要速度吗?解析几何之父、西方现代哲学的奠基人笛卡尔认为光是瞬间抵达的,不需要传播时间。另一位大科学家伽利略不这么认为,他让两个人在半夜分别爬上了相距1.6千米的两座山,当一个人点亮手中的灯,另一个人看到后马上也把自己的灯点亮,那么测量出两个灯亮起来的时间差,就可以把光速算出来,当然啦,需要扣除人的反应时间。但伽利略最终一无所获,光线好像的确不需要传播时间瞬间到达,伽利略最后不得不无可奈何地接受了这个结果。现在看来,几十万分之一秒的传播时间,人是根本不可能察觉得到的。我们都知道,伽利略是一位伟大的科学家,科学能够从过去的哲学体系里面分离出来,有他很大的功劳。古希腊古罗马的先贤们总是喜欢坐在那里思辨,思辨是古代哲学家们探索了解自然界的有效武器,基督教的经院哲学也喜欢通过抽象的、繁琐的辨证方法论证基督教信仰,但是伽利略对此并不满意,他觉得很多事情并不能依靠坐在那里冥思苦
想,必须动手去做实验,看看想法跟实际情况是不是相符合。伽利略亲自动手做斜面滚落实验就有上千次之多,记录下非常详细的观测数据。仅有观测数据还远远不够,还要用数学方法对规律进行总结。正是在这种思想的指导下,以伽利略为代表的一批人就逐渐远离了经院哲学体系,走上了另外一条路。伽利略的思想称为“实验-数学”方法,这条路越走越宽阔,逐渐形成了现代的科学体系。伽利略既是数学家,又是物理学家,同时还是天文学家,是科学革命的先驱,近代实验科学的奠基人之一。
      伽利略听说有人造出了望远镜,能把很远的东西放大。他很有兴趣,就按照听来的描述,自己做了一个望远镜,用这架望远镜来观察天体。伽利略也就成了第一个用望远镜观测天文的人。那时他的望远镜还很粗陋,看东西还是模模糊糊的。我们现在用一架小型的望远镜就能够清晰地观测到土星的光环,但是伽利略的望远镜显然不够清晰,他居然认为土星旁边有两个“耳朵”。当然,木星比土星大得多,而且离得也更近,相对容易观测。伽利略也经常把望远镜对准木星,看到居然有四个微小的亮点在围绕着木星旋转,旋转的周期长长短短各不相同。伽利略对他们进行了详细的观察,确定了他们的轨道周期,他确定,这四颗小星星并不像过去大家认为的那样,是绕着地球在转。基督教认可的学说是托勒密的地心说,所有天体是绕着地球转的,但这四颗天体明显是木星的卫星,它们都绕着木星转。因为是伽利略首先发现的这四颗卫星,后来人们便称它们为“伽利略卫星”。(图2-1)

    凡是往复运动的东西,都可以当做钟表来使用,我们至今为止,都是使用周期运动来当做时间的标尺。机械表靠的是摆锤摆动,电子钟表依靠的也是电磁振荡来度量时间的流逝。当时欧洲正在为测量经度发愁,经度的测量跟时间的测量是密切相关的。伽利略就想解决经度问题,他提议用木星的卫星当做钟摆来计算当前的时间,木星那四个大卫星绕着木星的公转也是周期运动嘛。这个办法简单有效,的确是可以帮助人们比较精确地测定某地的经纬度。法国采用这个办法来进行地图测绘,精确程度大为提高。因为精确测量法国的领土面积比过去粗略统计的数字要小,还引起了法王路易十四的抱怨,他说丢失在科学家手里的领土,比丢失在敌人手里的还要多。
    既然木星的卫星可以当做天上的钟表来计算时间,那么就有很多人投身于此,他们花了大量时间来测定木星的卫星运行状况。在伽利略去世三十多年以后,一位叫罗默的天文学家发现伽利略卫星运转好像并不是完全匀速的,木星的卫星每隔一段时间就会转到木星的后面去,我们就看不到它了,这个情况叫“木星食”。木星食每次会逐渐延迟发生,过一阵子,又会慢慢地提前发生,一天两天不显著,间隔半年就很显著了,似乎变化是有周期性的。这是怎么回事呢?罗默猜想:这是因为光速导致的,光似乎不是瞬间抵达,而需要花时间从木星跑到地球(图2-2)。

    在罗默看来,木卫运转的周期要通过光的传递,才能被我们看见。地球在绕着太阳旋转,木星在遥远的地方,粗略地可以当做不动,那么地球绕到跟木星最近的一点,光走的距离最短。随着慢慢地远离木星,光每天走的路程都会变长,木星食也就会不断地延迟。罗默估计,时间误差大约是十一分钟左右,这十一分钟就可以当做光穿越地球轨道半径,多走的那一段距离花掉的时间。那么好了,光速也就毛估出来了,十一分钟走了地球轨道的半径,二十二分钟走的就应该是地球绕日轨道的直径。
    罗默把想法告诉了他的老师卡西尼,可卡西尼不认可他的想法,整个巴黎天文台赞同他观点的人也不多,大家都抱有深深的疑虑。但另外的一大堆物理学大牛都给罗默点赞,惠更斯、莱布尼兹、牛顿都赞同他的想法,这也是人类第一次知道了光速大概是怎么一个数量级别。通过天文观测是当时唯一的能够使用的测量方法,因为光速太快了,只有天文距离上才能显现出光的延迟,有了延迟,人们才可以通过测量时间和距离来计算光速,但是这样的测量很难说是精确可靠的,必须寻找更加可靠的测量方法。又过了几十年,大家依旧没有多少进展,因为观测天体不是一蹴而就的事儿,要靠长期的观测数据积累才能有所收获。而且天文学家还必须有从大数据里面挖掘金矿的慧眼,这方面最突出的就是哈雷。
    哈雷是继弗拉姆斯蒂德之后的第二位皇家天文学家兼格林尼治天文台台长,第一个从过去观测的记录中瞧出了端倪。他挑了二十四颗彗星计算轨道,用万有引力来计算轨道正是他的好朋友牛爵爷发明的办法。他发现1531年、1607年和1682年出现的这三颗彗星轨道看起来如出一辙,是不是同一颗彗星的三次回归啊?哈雷没有立即下此结论,而是不厌其烦地向前搜索,发现1456年、1378年、1301年、1245年,一直到1066年,历史上都有大彗星的记录,这事儿绝对不是巧合!他预言:1682年出现的那颗彗星,将于1758年底或1759年初再次回归。哈雷这时候已经五十岁了,他还要等上五十年才能看到这颗彗星的回归。哈雷也知道自己没可能看到,但他对预测还是有信心的。果然在哈雷去世之后十几年,人们观测到了这颗大彗星的回归。为了纪念哈雷,就把这颗彗星命名为“哈雷彗星”。
     哈雷去世了,皇家天文学家的位置由另外一位天文学家接替,他就是第三任皇家天文学家兼格林尼治天文台台长布拉德利。布拉德利的特长是闷头观测,他的性格不像哈雷那么随和和平易近人,脾气倒是很像哈雷的前任弗拉姆斯蒂德,甚至比弗拉姆斯蒂德还要“弗拉姆斯蒂德”。布拉德利1725~1728年发现了光行差现象。随着观测技术的提高,对恒星位置的测量也越来越精确。而且布拉德利也是一个对数字极其敏感的人,他花了好多年时间整理了上千颗恒星的观测记录。照道理来讲,恒星之所以叫“恒星”,是因为我们观测不到他们的相对运动。星星每天东升西落,但是每颗恒星都像钉在苍穹之上一样,不管天球如何斗转星移,恒星彼此之间的相对位置是不会变化的。
    且慢,布拉德利分析了许多的观测资料,他紧紧盯住了天龙座内最亮的一颗星γ(天棓四)。这个天龙座γ一直在天上画圈圈,虽然圈圈很小,但是的确可以被观察到,这是怎么回事儿呢?布拉德利给这种现象起了个名字叫做“光行差”,他用雨滴模型成功地解释了光行差现象,据说是在泰晤士河上的一条船上激发出的灵感。那天正在刮风,布拉德利发现船上旗子的飘扬方向发生了改变,可是风向并没有变。这是因为船开动了,船的行进方向和风向并不一致,旗子的飘扬方向是船的运行方向和风向共同作用的结果。布拉德利茅塞顿开,设计出了雨滴模型(图2-3)

                                              图2-3 雨滴模型

       要解释这个雨滴模型,我们先来想象一个场景:在无风的雨天,雨滴是与地面完全垂直下落的,雨伞笔直朝上就可以挡雨了;假如我们是运动的,在往前跑,这时候在我们看来雨滴就不是垂直下落的,而是斜着下落的,必须把雨伞斜过来才能避免被淋成个落汤鸡;假如我们在大雨里绕着操场转圈跑,那么就会发现,雨水开始从偏东方向斜着飘过来,然后变成了偏南方向,再后来是偏西方向,最后是偏北方向,当我们跑回原点,又变成了偏东方向。假如以自己作为参照物来看,就好像下雨的云朵在天上转圈圈一样。当然,如果你在电影或者电视里面看到有人一边哭泣一边在雨中奔跑的话,那么恐怕不是在做科学实验,而是失恋了……恒星发出的光就像下雨一样飞过,地球在做绕日运行,就好像穿行在光线雨里面一样。在我们看来,光线也像雨滴一样变斜了,我们看天上某些恒星的角度就会随着地球的运行方向而发生变化。地球是在绕着太阳画圈圈,那么恒星看起来也在原地画圈圈,通过恒星画圈圈的大小,可以计算出地球绕太阳运行的速度和光速的比值。布拉德利比较精确地测定了光速,光速大约是地球运转速度的一万倍,当时测定的地球的运行速度大约是30千米/秒,这已经是比较精确的数值了。光行差的发现是个很重要的事儿,因为从哥白尼开始,他就认为地球是在运动的,是绕着太阳转的,而不是反过来太阳绕着地球转,但仅有两个参照物的话,我们无法分辨到底是地球绕着太阳转,还是太阳绕着地球转,站在地球上看起来都是一样的。布拉德利的光行差发现,证明了地球真的在绕日公转。1729年,布拉德利公开宣布了他的发现以及他的计算结果,他的发现支持了罗默的想法,且计算结果也比罗默更加接近现代测定的光。光速真的有限,并非瞬间到达。
      菲涅尔和阿拉戈建立物理光学波动学说的时候,他们绕不开的就是这个光行差的问题。牛顿提出了微粒说,那么并不在乎需要什么传播介质,可是对于波来讲,传播介质就变得非常重要了。当年惠更斯提出光波动学说的时候,就已经无法回避这个问题。对于那时候的人来讲,脑子里只有机械波的概念,声音在空气中传播,涟漪可以在水面传播,抖动的绳索也可以传递波形,甚至球场看台上的人群也可以组成人浪,多米诺骨牌的连续倒塌,都可以理解成波。这些波动无一例外是离不开介质的,皮之不存,毛将焉附?那么光波又是依靠什么东西振动来传播的呢?惠更斯说是“以太”。这个“以太”是从古代传下来的一种概念:古人认为大气之上定然还有成分,那便是以太。牛顿信奉微粒说,他不否认以太的概念,但是他也不认为以太的波动就是光,况且当时的波动学说也难以解释直线传播等等一系列的问题。现在杨大夫、菲涅尔和阿拉戈他们几个又把以太给搬了出来,光波是在“以太”中传播的。那么问题来了,布拉德利发现的光行差现象说明:地球相对于远方射来的恒星是有相对运动的;如果远方过来的星光是光波,波是不能独立存在的,必定有传播介质,光波靠以太来传播。那么好了,地球是不是相对于以太运动呢?阿拉戈就此事询问了菲涅尔,菲涅尔拍胸脯保证:“没错!就是这样的,地球是在以太里面穿行啊。”阿拉戈又问:“为啥地球在以太里面穿行,一点也没感觉到以太的存在呢?起码应该有‘以太风’才对嘛!地球能否能搅动以太呢?”菲涅尔若有所思,或许对于以太来讲,地球是疏松多孔的物质构成的,因此以太穿越一点不受阻碍呢?稀疏的筛子总不能拿来扇风吧。阿拉戈又问:“那么水能不能带动以太呢?很有可能光波进了水以后,速度会变慢啊,那么是不是水跟以太有相互作用呢?”菲涅尔说:“这是很有可能的啊!”水流也许并不能完全拖动以太,是要打个折扣的。阿拉戈早年接受的是牛顿的微粒说,后来看到杨大夫的双缝干涉实验开始倾向于波动说。但是他对波动说解释光行差有疑虑,所以他有此一问,现在菲涅尔的回答让他很放心。
      阿拉戈没能观测到这种水流拖拽以太的现象,因为那时候没法在地面测量光速。现在的关键是在实验室里面能够测量出光速,才有可能研究所谓“以太”的问题。从布拉德利粗测光速算起,一百年来仍然没人在实验室里测出光速。伽利略当年的梦想就是靠实验来确定光速,但是光速快得吓人,能在一秒内绕行地球赤道七圈半,实验室的仪器尺寸又不可能很大,因此测量手段始终是个难题。要知道光速直接关系到微粒说与波动说谁对谁错,这是个大问题。牛顿认为,光在水中或者在玻璃里面比在空气中跑得快,因为稠密的透明物质对于微粒来讲是有“引力”的。牛顿的这个引力,也未必是指万有引力。在牛顿看来,光是一颗颗的小炮弹,因为速度太快了,我们看不到重力导致的光线弯曲,看起来光总是走直线,但是,当光斜着碰到玻璃或者水的一刹那,被这些透明物质的“引力”拖拽,速度变快了,因此进了玻璃就拐了个弯儿,这就是所谓的折射。可是根据光的波动理论,光波在玻璃或者是水里比在空气中跑得慢,因此阿拉戈到晚年还对光速的测量念念不忘,双目失明之后仍然牵挂着斐索的实验。牛顿的光学理论完全是以介质之中光速变快为基础的,如果推翻了这一条,那牛顿的理论将全部崩溃。
      到了1849年,一位法国科学家斐索完成了在地面上测量光速的实验,这是一个非常巧妙的实验(图2-4)。

      首先斐索做了一个大齿轮,有七百二十个齿,那时候没有电机,斐索为了让这个齿轮能够匀速旋转,靠重物下坠拖拽绳子来带动齿轮旋转,用蜡烛作为光源,反射镜放到了8.67千米之外。
      齿轮如果不转动,那么光线经过半反射镜反射,通过齿轮的空隙射到8.67千米外的反射镜上,然后反射回来。透过齿轮和半反射镜,人的眼睛就可以看到了。假如齿轮转动起来,速度够快的话,反射回来的光恰好被转过来的齿挡住,人眼就看不到反射回来的光了。齿轮再加速,反射回来的光恰好从第二个空隙间通过,那么人眼又可以看到反射光了。斐索发现,齿轮一秒钟转二十五圈的时候,恰好可以看到反射光通过齿的空隙。计算下来,光速大约是312120千米/秒,比现在我们知道的光速快了5%,这在当时是难免的,因为机械总有误差。人类第一次在地面上用实验测出了光速,这在物理学上是一个里程碑式的事件。光可以说是物理学中最迷人最捉摸不定的奇异现象,它的奇异特性直接导致了两大物理学支柱量子力学和相对论的诞生。最终,人们习以为常的那些物理学规律都被一一打破,这是后话,暂且按下不表。
      光在水里的确比在空气中跑得慢,牛顿的微粒说已经崩塌了,这是法国另外一位科学家傅科测定出来的。那么阿拉戈当年的另一个疑问却始终没有答案:假如光线通过流动的水流,那么光速会变化吗?这个疑问关系到当时所有物理学家都关心的问题:以太到底能不能被拖动呢?按照经典的牛顿力学,水流拖动了以太,光又是在以太里面传播的一种波,那么顺流而下的光波应该比较快,逆流而上的光波应该比较慢,这是学过中学物理的人都应该想得到的。菲涅尔以前曾经做过一个判断:透明的物质只会部分拖拽以太。那到底对不对呢?这还要靠实验来解决问题。
      斐索做了著名的流水实验(图2-5),来回答阿拉戈的那个疑问。斐索很巧妙,他用两束光一正一反穿过水管,在屏幕上形成干涉条纹。当水流动起来,一正一反两束光会产生差异,因此条纹必定会发生移动。实验结果支持了菲涅尔的假设,观测数据也与根据菲涅尔公式计算出来的数值相符合,大家都松了一口气,看来菲涅尔有关以太的想法是合理的。关于以太的争论仍然在继续,毕竟没有直接观测到以太的存在,只是通过光的传播来反推以太的种种特性,不是一个让人放心的办法。光究竟是个什么玩意?真叫人捉摸不透。当时人们并不知道,解开光线之谜的人最终将与牛顿比肩而立。
      那么,他是谁?
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