沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

769 人參與      分類 : 科學  

網路上最有意思的不是文章,而是文章評論。科普文章的評論區更是百花齊放。挑剔的會表示作者沒說明白、有情調的表示這一點都不浪漫、愛學習的會默默收藏、懷疑者會追問實驗證據……有一類人最有意思,他們會扔下一句:沒證據不等於沒有,就閃身不見。在科學史上,還真有一個沒有證據,但被科學家們認為確實沒有的東西。這是什麼呢?

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

有聰明的小夥伴已經想到了,這就是「以太」。

最早,以太是古希臘哲學家亞里士多德所設想的一種物質。在亞里士多德看來,物質元素除了水、火、氣、土之外,還有一種居於天空上層的「以太」。古希臘人以其泛指青天或上層大氣。

隨著科學的發展,「以太」的內涵也在演變,到了19世紀末,「以太」的概念從原來的某種神秘物質,變成了物理學家們賴以思考的一種「假想」物質。

這是因為,隨著麥克斯韋電磁理論取得了巨大的成功,光的波動說復活了。為了解釋電磁波(光)的特性,「以太」就作為一種光的傳播介質被重新提了出來。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

物理學家們面臨的一個難題:「以太」和物質的關係是怎樣的?

當時,有兩種針鋒相對的意見。菲涅爾認為,地球由極為多孔的物質組成,以太可以在其中運動,並且幾乎不受到什麼阻礙。由於地球表面空氣的折射率接近1,因此空氣不能或者是只能非常微弱地拖拽「以太」,可以把以太看作是相對於地球表面靜止的。

斯托克斯則認為菲涅爾的理論建立在一切物體對以太都是透明的基礎之上,這是不可能的。他認為,在地球表面,「以太」與地球有相同的速度,即地球完全拖拽「以太」。只有在離開地球表面某一高度的地方,才可以認為以太是靜止的。

在這一波爭論中,菲涅爾的觀點勝出了,因為菲涅爾的靜止「以太說」可以完美解釋由於地球的公轉所造成的恆星表觀位置變化的現象(光行差現象)。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

早期尋找「以太」存在的證據步履維艱

如果靜止「以太」的說法是正確的,那麼由於地球公轉速度是每秒30千米,在地球表面應該有「以太風」存在。當時的物理學家們做了大量的「以太漂移」實驗,試圖測量地球通過以太的相對運動。

但是,由於早期實驗精度的限制,只能測量地球公轉速度和光速之比的一階量,無一例外的是,這些一階實驗都證實「以太風」是不存在的。

隨著麥克斯韋電磁理論的發展,科學家們發現,光和電磁波現象有一個優越的參照系,這就是以太在其中靜止的參照系,以太漂移的二階效應理應存在。但這個實驗精度要求太高,一時還難以實現。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

著名的MM實驗

1881年,邁克爾遜在麥克斯韋的建議下進行了實驗,他本來希望看到的位移干涉條紋是0.1,但在實驗中得到的僅僅是0.004~0.005,熟悉物理實驗的朋友都應該清楚,這個值就是普通物理實驗中所允許的誤差值。

在實驗事實面前,邁克爾遜不得不承認,這個「零結果」的實驗表明,以太是不存在的。他還同時意識到,這個結論與當時普遍接受的光行差現象的解釋直接矛盾。

不論是邁克爾遜還是其他物理學家都注意到,這次實驗的精度是不夠的,所以包括邁克爾遜本人在內,沒有人把這個實驗看做是決定性的。邁克爾遜也把注意力放到了光速的精密測量上。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

1887年,邁克爾遜在瑞利和洛倫茲的建議下決定重新做這個實驗,這次他有了一個助手,莫雷。他們改進了之前的實驗裝置。為了維持穩定,減小振動的影響,邁克爾遜和莫雷把干涉儀安裝在非常沉重的石板上,並把石板懸浮在水銀液面上,可以平穩地繞中心軸轉動。

為了儘可能地增大光路,儘管干涉儀的臂長已經有11米,他們還是在石板上安裝了多個反射鏡,使光束來回往返8次。根據理論計算,這時干涉條紋的移動量應為0.37,但實際測量值還不到0.01。

邁克爾遜和莫雷在實驗報告中說:『似乎有理由相信,即使在地球和以太之間存在著相對運動,它必定是很小的,小到足以完全駁到菲涅爾的光行差解釋。』

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

MM實驗造成的困惑

MM實驗的否定結果讓當時所有的物理學家都很迷惑不解,而且在相當長的一段時間內依舊如此。科學家們並沒有認為MM實驗是判決性的,包括邁克爾遜自己也對實驗結果大失所望,並不認為這個實驗有什麼意義。

洛倫茲同樣對這個實驗表示了鬱悶,同樣也是認為實驗與菲涅爾對光行差解釋之間的矛盾不能理解,甚至懷疑,MM實驗的過程中是不是有什麼被看漏的地方。

儘管MM實驗視乎排除了靜止以太說,但靜止以太說不僅僅是麥克斯韋方程組的要求,而且也有光行差現象和斐索實驗的支持。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

相對論的前夜——真相撲朔迷離

為了解釋MM實驗的現象,1892年,洛倫茲提出了「收縮假設」,即,干涉儀的臂長在運動方向上縮短了億分之一倍的線度,這樣就補償了地球通過靜止以太時所引起的干涉條紋的位移,從而得到了否定的結果。洛倫茲基於電子論進一步認為,這種收縮是真實的動力學效應,對於物質來說具有普遍意義。

但龐加萊否定了洛倫茲的觀點,在龐加萊看來,如果是為了解釋MM實驗而引入長度收縮效應假設的話,那麼今後如果再次出現新的實驗事實時,仍然需要設定新的假設。毫無疑問的是,為每一個新的實驗結果都創立一個特殊的假說,這種做法很不自然。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

1898年,龐加萊在其論文《時間的測量》中指出:光具有不變的速度,特別是光速在所有的方向上都相同,這是一個公理,沒有這個公理,就無法測量光速。他還指出:「絕對空間是不存在的,我們所理解的不過是相對運動而已」,「絕對時間是沒有的,所謂兩個經歷的時間相等,只是一種本身毫無意義的斷語」,「不但我們沒有兩個相等的時間的直覺,並且我們對於兩地所發生的兩件事的同時性也沒有直覺」。

1902年,瑞利按照洛倫茲收縮做了了一個實驗,如果物體在運動方向縮短,那麼它的密度就會因為方向不同而不同,這樣一來,透明物體就應該顯示出雙折射現象。實驗結果表明,並沒有出現預期的現象。1904年,布雷斯重複了瑞利的實驗,依然得到了否定的結果。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

面對實驗事實,洛倫茲以麥克斯韋方程組為基礎,用非常複雜的數學方法描述了一個新的變換。然而這個變換中卻存在著與經典理論相矛盾的地方,比如粒子質量隨速度而變化,粒子在以太中的運動速度不能大於光速。

龐加萊高度認可了洛倫茲的理論,並且從數學上給出了更簡潔的形式,這就是後來的洛倫茲變換。龐加萊還給出了電荷和電流密度的變換關係,甚至隱含使用了四維表達式。

1904年9月,龐加萊首次提出了相對性原理,「物理現象的定律對一個固定的觀察者與對於一個相對於他做勻速運動的觀察者必定是相同的。這樣一來,我們沒有,也不可能有任何識別我們是否做這一運動的手段」。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

狹義相對論一錘定音——以太不存在

雖然前面關於相對論思想的萌芽在愛因斯坦發表《論動體的電動力學》(狹義相對論)之前熱鬧非凡,但是,這些並不是愛因斯坦狹義相對論的理論背景。因為當時的愛因斯坦,不過是一名遠離科學中心的小職員,他沒有機會看到洛倫茲的論文。甚至他都不知道有MM實驗。

愛因斯坦從赫茲等人的著作中了解了電磁理論,同時又從馬赫、休謨、龐加萊等人的著作中掌握了批判思想,徹底擺脫了絕對時空的束縛。一眼看穿了重重的迷霧,領悟到新的、簡單的想法,使得他能夠吐露出那些問題的真實意義。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

愛因斯坦在1952年寫給澤利希的信中說:「在狹義相對論的思想概念和相應的結果發表之間大約經過了五、六周的時間……」,其實這些思想已經在愛因斯坦的頭腦中醞釀了10年。這期間,愛因斯坦認為麥克斯韋方程組和洛倫茲變換都是正確的。

他嘗試將力學運動方程與麥克斯韋方程組統一起來,用這些方程來處理菲索關於菲涅爾拖動係數的實驗,但他遇到了困難。他不得不思考相對運動關係與理論形式而不是與理論內容有關的問題。他發現要使麥克斯韋方程組與相對性原理協調起來,不改變傳統的時間觀念是根本不行的。

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

愛因斯坦在1905年的論文中,開門見山地提出一個理想實驗:當一個導體和磁鐵相對運動時,在導體中產生的電流並不取決於二者哪一個在運動。他把這種不對稱與企圖證實地球相對於以太運動實驗的失敗聯繫起來。

直接提出了一種猜想:「相對靜止這個概念,不僅在力學中,而且是在電動力學中也不符合現象的特性。倒是應該認為,凡是對力學方程適用的一切坐標系,對於上述電動力學和光學的定律也一樣適用。」接著他就把這個猜想稱之為「相對性原理」,並提升為公理。

緊接著又引入了另外一條公理,即光速不變原理。(以下主要是狹義相對論的內容,這裡就不贅述了。)

沒證據不等於沒有,科學家:這個真沒有

結束語

以太被徹底否定是愛因斯坦統一性思想的勝利,探索自然界的統一性是愛因斯坦一生所追求的目標。狹義相對論所揭示的是時間與空間、物質和運動、能量和質量、動量和能量的統一性。這是人類理性思維的傑作。