20世纪初,在物理学界,“光”所带来的矛盾越来越多。
首先就是1887年,迈克尔逊和莫雷实验。他们本想测量出光在面向以太风和背向以太风的速度差,间接证明光的介质以太是存在的。可是实验结果让人大跌眼镜,无论他们怎么调整仪器精度,更换实验场地,结果都是零。这意味着没有速度差,光的速度是恒定的,这和几百年的以太学说是相违背的呀。
其次,在电磁学领域,通过麦克斯韦方程组,人们认识到光是一种特殊的电磁波。但人们在测定电磁波速度时,发现电磁波的传播速度是一个定值即每秒30万公里。这不满足速度叠加原理啊,与牛顿力学也是相矛盾的。
1904年,我们的主人翁爱因斯坦已是瑞士伯尔尼专利局的三级技术员了。他每每回忆起刚毕业时,找不到工作的落魄景象就对如今稳定的生活更加珍惜。爱因斯坦热爱这份工作,不仅仅因为它收入稳定,还因为有很多空暇时间可以做思维实验,钻研自己热爱的物理学。他在专利局有个好朋友同是热爱物理的贝索。每次当爱因斯坦想到什么新奇的问题,他都会与贝索讨论。贝索为了解答爱因斯坦的问题,都会认真查阅资料,并给予最中肯的回答。
一天,爱因斯坦与贝索讨论完光速与时间的问题。他陷入了沉思。窗外大街上一声急促的汽车鸣笛声惊醒了他。突然,爱因斯坦眼前一亮,这位科学巨匠顿悟了,他挣脱几百年的思维束缚,打破权威的桎梏,身披荣光,踹开了真理的大门。那个从16岁开始就困扰着他的“追光悖论”,爱因斯坦终于找到最后的答案了。
“黄昏,一辆汽车从大街上行驶而过,它的速度是v,汽车打开了车灯。此时,车灯照出的光的速度是c。为什么光束的速度不是v c,这样才满足几百年沉淀下来的速度叠加原理啊。”
爱因斯坦猛吸一口,扔掉了香烟。
“为什么必须要满足速度叠加原理?为什么不以观测事实为基础?为什么不抛弃行将就木的以太论?为什么时间就一定是绝对的?”
爱因斯坦立刻全身心投入论文的撰写,把他的新思想都记录下来,整理成文。
五个星期后,伟大的相对论就此问世。它废止了早已不合时宜的以太论,以实验结果——光速不变为基础,加上狭义相对性原理,建立了区别于牛顿绝对时空观的全新时空观念 。我们都是生活在三维空间和一维时间构成的四维时空中,这对牛顿的时空观是大大地拓展。
狭义相对论预言了许多不可思议的相对论效应,如时间膨胀。一个物体速度越快,它所经历的时间就越慢。20世纪70年代,物理学家乔·哈菲尔和理查·基延的钟表航行实验,铯原子钟那59纳秒的时间差完美验证了狭义相对论的正确性。
狭义相对论还推导出了人类最重要的公式——质能转换公式e=mc^2(e代表能量,m表示质量,c^2是光速的平方,为一个常数)
在牛顿力学中,质量和能量是完全没有关系的两个物理量。在爱因斯坦的狭义相对论中,能量概念有了推广,质量和能量有确定的当量关系。一个拥有很小质量的物体,它所蕴藏的能量是十分巨大的。这也解释了核反应中那惊天威势的由来。
1905年,被誉为爱因斯坦奇迹年,这位年仅26岁的科学巨匠发表了5篇划时代的论文。每一篇都开启了一个全新的物理领域。其中,最重要的就是6月30日发表的《论动体电动力学》,也就是狭义相对论。它们不仅解答了争论了几百年的光的本质问题,还拓展了牛顿力学,建立了更加完善的时空观。许多以前不可调和的矛盾在新理论中,终于握手言和。
追光少年爱因斯坦,正在成长为一代科学巨匠。他的光辉刺破乌云,真理的黎明破晓了。