# 相对论3：光速啊，光速

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相对论已经到了第三讲，爱因斯坦的理论还没有出场，而我们做这么多铺垫都是值得的。真正的精彩不在于相对论的结论，而在于思辨的过程。前两讲，我们说了两件事。

第一，匀速直线运动和静止没有区别。物理定律 —— 至少是力学的定律 —— 应该在所有匀速直线运动或者静止的坐标系下是一样的。

第二，麦克斯韦解方程解出来一个光速，可是物理学家有个疑问：这个光速是相对于谁的呢？

如果光速是相对于光源的速度，那没问题，这两个事实不矛盾。但是我们讲了，实验观测表明，光速跟光源的速度无关。

于是物理学家相信，光既然是一种波动，光速就一定是相对于某种“介质”的速度。

## 1.波动和“以太”

咱们先说说什么叫“波动”。你往平静的湖水里扔一块石头，水面上就会产生一层层的波纹，慢慢传播出去，这就是波动。用我记得教科书上的话说，波，就是“时间和空间上的周期性运动”。

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请注意，在波往外传递的过程中，是波的*形态*在传播，但是湖水本身并没有往外传播。湖面上的水有一个局限在当地的来回运动，仅此而已。你看到海浪一层层地来到岸边，那些岸边的浪花只是岸边的水的波动，并不是远方的水跟着海浪一起来了。

在大尺度上，水并没有动，是波在相对于水而动。水是波传递的介质，波传递的仅仅是信息和能量，而不是物质 —— 介质本身，不需要动。

声波也是这样。距离你十米远的人说话，你能听到他的声音，那是声波在空气中传递的结果。声波从那个人的嘴边到达了你的耳朵 —— 但是那个人并没有把他嘴边的空气给吹到你这里。

好，水波是相对于水面的运动，声波是相对于空气的运动 —— 那既然光作为电磁波也是一种波动，它就也应该是相对于某种介质的运动，对吧？

这个假想中的介质，就被称为“以太”。

并不是物理学家观察到过以太的蛛丝马迹，也不是物理学家固执地相信凡是波都必须得有介质 —— 物理学家凭空想象这么一个以太，纯粹是为了回答“光速到底是相对于谁”这个问题。

## 2.可是没有以太

那以太到底是一种什么东西呢？物理学家可以推算它的性质。

首先，既然我们能看到来自宇宙各处的星光，以太就必须遍布整个宇宙空间，无处不在。

其次，以太肯定是一种非常稀疏的物质。这是因为我们完全感觉不到它的存在，各种东西都是该怎么运动就怎么运动，以太不构成障碍。

但同时以太又必须得是一种很坚硬的东西。这是因为物理学家早就知道，波的传播速度跟介质的坚硬程度有关：介质越硬，波速就越快，比如声波在水里的速度就比在空气里快。

又很稀疏，又很坚硬，以太这个东西不是太奇怪了吗？

更严重的问题是，如果以太真的存在，那物理学家关于“匀速直线运动和静止没有区别”这个信念，可就错了。我们完全可以说“相对于以太的静止”就是绝对的静止，它跟运动有本质的区别。

咱们还是回到那艘豪华游轮上。你做力学实验的确无法判断船是在运动还是静止，但是现在你可以做一个电磁学实验！你打开手电筒制造一段光线，然后你测量一下它的速度。只要船在相对于以太运动，你就一定能找到一个方向，正好是船运动的方向，在这个方向上，光速比其他方向要慢一些！那只要你能找到一个光速变慢的方向，不就证明船是在运动了吗？

我们的地球就是这艘船。既然地球在公转，它就肯定是在运动。那如果以太存在，我们就一定能找到一个让光速或者稍微变大、或者稍微变小的方向，对吧？

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这是一个关于以太到底存不存在的决定性的判据。我们知道地球公转的速度大约是每秒30公里，可是光速是每秒30万公里，公转对光速的影响是非常非常小的，但是这难不倒物理学家。

美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）发明了一个特别漂亮的测量光速变化的方法。他把一束光分成两束，在垂直的两个方向前进，走过同样的距离，经过镜子反射之后再回来。如果光速在两个方向上是一样的，两束光就会形成一个完美的干涉条纹。但是只要这两束光的速度有一点点不一样，这个干涉条纹也会被破坏。这个装置足以发现极其微小的速度差异，现代人发现引力波的实验装置也是用了这个原理。

这就是发生在1887年的“迈克尔逊-莫雷实验”。实验结果是地球上的光速在所有方向上都是一样的。

这也就是说根本就没有以太。

这也就是说光根本不需要介质，就能在空间传播。

这也就是说匀速直线运动和静止还真是没有本质区别。

但这也就是说，物理学家还是不知道光速到底是相对于谁的。

1887年，全体物理学家都陷入了困惑。他们还得再等18年才能知道答案。而提供答案的人，现在才只有8岁。

![三岁的爱因斯坦。本期所有爱因斯坦的照片来自维基百科。](https://piccdn3.umiwi.com/img/201811/18/201811182212378613779687.jpg)

## 3.二十六岁以前的爱因斯坦

关于爱因斯坦有一些民间传说。很多人有个印象，说爱因斯坦小时候学习不好，好像是个有点笨的孩子，后来他努力学习，才成了伟大的科学家。这样的故事能给普通人希望……但是爱因斯坦真不是普通人。

2017年，诺贝尔奖委员会在官方Twitter账号（@NobelPrize）上贴出了爱因斯坦17岁高中毕业时的成绩单 —— 

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他的物理、代数、几何、历史成绩都是最高分6分，只有法语最差是3分。这些成绩相当不错。我想补充的是爱因斯坦16岁的时候就已经报考了瑞士苏黎世联邦理工学院而且被录取了，只是大学要求他先把高中念完。

不过按照世俗的标准来看，爱因斯坦的确有点性格“缺陷”。爱因斯坦对师长不够尊重，还总想对抗体制。比如爱因斯坦本来是在慕尼黑上高中，可是他受不了当时德国高中普遍实行的军事化管理，就索性退学，追随经商的父母去了意大利……而且连德国国籍都不要了。

![14岁的爱因斯坦。](https://piccdn3.umiwi.com/img/201811/18/201811182215178396989996.jpg)

爱因斯坦没念完高中就想上大学，上了大学仍然不满意。苏黎世联邦理工学院已经是个很好的大学了，但爱因斯坦认为它的教学太陈旧。我们上一讲说的麦克斯韦的电动力学，这个时候已经出来40年了，可是苏黎世联邦理工学院的物理系居然没有这门课程。爱因斯坦干脆就逃课，自学麦克斯韦的理论。

爱因斯坦看不起物理系的教授，教授们也看不上爱因斯坦。他们给爱因斯坦的评价是不听话，而且还懒。他们甚至建议爱因斯坦不要学物理了，去学医吧 —— 对物理学家来说这简直是侮辱。

不过爱因斯坦在大学里有一个重大收获，就是他后来的妻子米列娃。米列娃本来是学医的，是转系学物理……两个物理青年就这样相爱了。

但是两个人的成绩都一般。大学毕业考试的时候，在物理系的总共五个毕业生中，爱因斯坦排第四勉强拿到了毕业证，米列娃排第五必须重修一年。

当时是1900年。排前三名的学生都得到了正式的教职，从此就是职业科学家。而爱因斯坦和米列娃却不得不为生计奔忙。两人又有了孩子，爱因斯坦为了养家糊口还去给人当了一阵家庭教师，后来好不容易在专利局找到了一个低级的工作。

这就是爱因斯坦在1905年之前的生活状况。我想有类似这样经历的求学者可以说是不在少数。心中有一个远大的志向，看什么都不顺眼，面对现实毫不妥协，结果把自己生活搞得很艰难……正所谓“诚知此恨人人有”。

![1904年，25岁的爱因斯坦](https://piccdn3.umiwi.com/img/201811/18/201811182216408646473716.jpg)

**爱因斯坦跟这些人唯一的区别是，到了26岁这一年，他创造了奇迹。**

我最近读到一篇杨振宁先生写的文章，叫《爱因斯坦的机遇与眼光》。杨振宁说爱因斯坦之所以能创造奇迹，首先是他极其幸运：“他生逢其时，当物理学界面临着重重危机时，他的创造力正处于巅峰。”

但是光有机遇还不行，因为当时至少还有两个人 —— 洛伦兹和彭加莱 —— 也摸到了相对论的门，但是这两人都没有成功。杨振宁说“洛伦兹有数学，但没有物理学；彭加莱有哲学，但也没有物理学。”那为什么是爱因斯坦打开这扇门呢？因为爱因斯坦有个“自由的眼光”。

爱因斯坦敢质疑当前现状。爱因斯坦不跟体制和解。杨振宁说爱因斯坦这种“ 孤持(apartness)”的个性，是他能取得伟大成就的必要条件。

但是你光有机遇和个性也不行。在我看来，爱因斯坦的物理直觉，也许是一种天赋。比如他五岁的时候，就对一个指南针非常感兴趣。小孩对指南针感兴趣很正常，但爱因斯坦的思路不一般 —— 他觉得指南针说明我们所处的这个空间有问题！空间不是各向同性的，居然有一个特殊的方向！

爱因斯坦16岁就写了第一篇物理论文，这篇论文的题目就是……《磁场里以太的状态的研究》。他就问了一个问题，说如果我以光速在运动，那我看到的光，会是什么样的呢？难道光会是静止不动的吗？

当时爱因斯坦就说，他认为不会是那样 —— 他说根据麦克斯韦的理论，不管我是什么速度，我做实验弄出光波来，光波还是会以光速在运动。

一般情况下师长们都告诉你要适应世界。爱因斯坦不是来适应世界的。他是来改变世界的。

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