经典力学与电磁理论不协调？

19世纪末的物理学家可以骄傲地指出此前物理学界已取得的两大成就：牛顿的经典力学（17世纪创立）和由苏格兰理论物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于19世纪60年代创立的电磁理论。在物理学界，上述两大理论中的任何一个，都堪称其所处时代的不朽丰碑。麦克斯韦发现了光的本质，并将其与早已发现的电和磁现象联系起来。他预测了电磁波的存在，其“速度几乎接近光速”。他指出，“似乎我们有充分理由认为，光本身……就是一种波形式的电磁振荡。”而单从其方程组来看，麦克斯韦揭示了一个存在于自然界中的新常数——光速。

牛顿和麦克斯韦的理论精准地预测了随后大量实验的结果，以至于很多人认为，在相关领域几乎没有可供研究的题目了。1874年，在剑桥大学卡文迪许物理实验室建成仪式上，麦克斯韦发表了讲话，他说：“留给科学家们的唯一任务……或许是把这些计算精确到小数点后多少位。”

时间到了19世纪90年代。一位颇具好奇心的学习物理的德国学生认为，好像有些地方出错了。当他将这两种理论放在一起时，感受到了某种程度的不协调。他的怀疑还涉及许多复杂情形，如：是什么替代了曾经的“以太”，填满了宇宙空间？光又是如何穿透这种物质的？但是，令年轻的阿尔伯特·爱因斯坦困扰的核心问题是，在处理空间和时间上，两大物理学理论似乎并未遵循同一套规则。尽管他当时只是一名学生，却充满了挑战权威的勇气。爱因斯坦肯定地说，把牛顿力学与麦克斯韦电磁学联系起来的主流理论——电动力学，“是不正确的，应该有一种更简洁的表达方式”。他渴望使两大理论彼此协调。

这对爱因斯坦来说并非突发奇想。对这一问题的思考可追溯至他的青少年时期。在爱因斯坦的自传笔记中，他回忆自己曾陷入对类似问题的沉思中：如果一个人以光速移动，会看到什么？会观察到那些像波浪般停滞在面前的电磁波吗？“这样的事似乎不会发生。”他记得自己当时的想法，那时的他大约16岁。根据牛顿理论，你可以追得上光，就像一场接力赛中的两个运动员；但根据麦克斯韦的理论，那不一定。科学家试图通过实验测量光在类“以太”的物质中的传播速度，但实验⁽¹⁾结果证明，光速始终是恒定的，人根本不可能追上光。

经过几年对这个问题时断时续的思考，爱因斯坦终于找到了解决问题的办法。不止于此——并没有涉及深奥的理论，仅仅通过一些最基本的假设，他就解决了问题。1905年，爱因斯坦发表了那篇后来被称为“狭义相对论”的划时代的论文。这篇论文优美而简练，所有的假设都基于19世纪或20世纪早期物理学家熟悉的物理学理论。事实上，有些物理学家也在思考着同样的问题，并已十分接近答案，但均无法获得最后的突破。爱因斯坦独具匠心之处在于，他提出了一套全新的时间和空间概念——一切由此豁然开朗，牛顿和麦克斯韦之间的不协调如冰雪般消融了。

狭义相对论认为，对于静止和匀速运动这两种参考系，物理学的所有定律，无论是力学定律还是电磁学定律，都应该是适用的。在学校里学过牛顿物理学的人都知道，我们站在一列以160千米／小时匀速前进的列车上向上抛球，和站在运动场上向上抛球，两球的运动行为是相同的。爱因斯坦希望这种一致性对于电磁学也同样适用。但是，根据电磁学理论，在任何地方，无论是在迅疾前进的列车上，还是静止的运动场上，光的传播行为并无二致——就像已测量到的那样，同样以299792千米／秒的速度传播。由此可见，在变速环境中，光的速度并没有如牛顿经典力学预期的那样产生叠加。怎么会这样呢？基于此，“（我们）引入另外一个假设……”在1905年的论文中，爱因斯坦这样写道，“在真空中，光总是以一定的速度传播。光速c与发光体的运动状态无关。”

这是一个似乎合理的假设。该假设对于低速情形并无明显影响，只有当相对速度极高时，影响方才显现。让我们做如此设想：一艘宇宙飞船以接近光速的速度飞离地球，那么此时，根据常识你可能会认为，宇航员就像掠过地球的光束那样快速地飞行——如果他们飞得再快一点，甚至能超过一束光；由于他们在快速飞行，光速相对于他们的速度可能会小一些。爱因斯坦也曾如此思考过，然而事实并非如此。就像我们在地球上测量到的一样，飞船上的宇航员测得的光速仍然是299792千米／秒。

这种情形初看匪夷所思，但是，这不过是惯有的空间和时间观念阻碍了我们的思维。在日常生活中，我们和牛顿以及所有牛顿之前的古代哲学家一样，都认为空间是一个永恒不动的空盒子；在这个包围着我们的固定的空间里，是我们在动，或者不动。

我们也同样认为，有一台宇宙时钟，以相同的方式为宇宙中的所有居民计时。整个世界，从宇宙的一端到另一端，无论身处何地，无论发生何事，所有事件都遵从这个宏大的宇宙计时器。