——以太说的被否定

　　上回说到普朗克等十多位物理学家在布鲁塞尔高高兴兴地聚会，普朗克问爱因斯坦何不索性入伙，全力来攻量子论。爱因斯坦提醒他不要忘了物理学的天空上除“黑体辐射”外还飘着另一朵乌云。

　　各位读者，你知道这朵乌云是什么？这便是那个权威的“以太说”，突然遇到了挑战。

　　原来自从牛顿创立经典力学之后，这物理学的大厦真是金碧辉煌，美妙至极，无以复加。难怪当年普朗克的老师都劝他再不要在物理研究上打什么主意。牛顿力学是一把万能钥匙，好像凡自然界的现象都能用它一一解释。你看偌大个宇宙都在牛顿的手中掌握，伸手一指，那隐匿极深的海王星就赶快前来报到；再掐指一算，外出七十六年的哈雷彗星也要按时回来复命。另一方面，它又成功地解释了我们生活中诸如拉车、走路、流水、刮风等小如鸡毛蒜皮一样的问题。于是力学的分支越来越多，如流体力学、刚体力学、弹性力学等，人们也越来越愿意把一切运动变化都归结为简单的力，如“化学亲和力”“生命力”“光反射力”“电接触力”等，仿佛世界上的一切都可以套用机械的力学来解释了。

　　牛顿的“力”这样神奇，那么它通过什么传递呢？推车得用手抓住车把，碧波**漾离不开水，声波传播离不开空气。可是地球离太阳一亿五千万公里，这之间既无水也无空气，太阳通过什么媒介来施展自己的引力呢？物理学家们又想出一个假设，说宇宙间充满一种很稀薄的物质，天体或其他物体间的作用就靠它作媒介，笛卡尔借用古希腊的哲学名词，叫它为“以太”。此说一起，许多难题果然迎刃而解，引力靠以太传播自不必说，法拉第的电磁力也离不开它，麦克斯韦证明光也是一种电磁波，当然光的传播也就离不开它了。更重要的是，以太的存在正好说明牛顿的绝对时空观，有了这么一个绝对静止的以太才会有地球、太阳等一切相对于它的运动，要不那些星球的运动拿什么来参照？以太成了19世纪中期物理学家们最温柔的保姆，成了他们可以信赖的上帝。

　　但是总有一些聪明、勇敢的人在一种迷信和一片虔诚中首先提出问题。这以太既然无处不有，为什么我们就感觉不到呢？另外，光波是一种横波，横波必得由固态介质传递，以太即该是固态了，但这样一来就等于我们被浇铸在一个透明的以太玻璃球里，可是又不影响我们随意的动作，这真是太不可思议了。

　　有疑必定有问。事有凑巧，1884年，那个治学严谨、轻易不外出讲学的汤姆孙终于被请到美国来做报告了。美国当时比起欧洲来科学很是落后，它就想方设法请名家来讲学，以后还重金收买人才。汤姆孙的到来自然是一大喜讯，做报告那天科学界人士济济一堂。报告会休息时，大家又挤到这个世界名人跟前七嘴八舌地问这问那，自然也提到那个神秘的以太问题。汤姆孙说：“以太到底是否真有其物，现在还不能定论。我们只知道地球是以每秒30千米的速度绕太阳运行，那么迎面就应该有一股以太风不断吹来。如谁能用实验证明了这股风的存在，也就证明了以太的存在，但这要靠实验。”又是说者无心，听者有意。这时在人群里有一无名青年，听到权威汤姆孙的这句话心中不由一动，一个新研究课题便“咔嚓”一声在脑子里挂上钩了。

　　各位读者，这种说者无心，听者有意，从而激发出一项大的发明、发现的事，本书中已出现多次。1793年伏打听了伽伐尼关于解剖青蛙的报告，转而发现了电压；1894年马可尼看到赫兹逝世的讣告，转而发明了电报；1896年贝克勒尔听了彭加勒关于荧光物的报告，转而发现了天然放射性。这正应了那句话：机遇只给有准备的头脑。科学家的大脑永远是一张张开的蛛网，必然能捕到偶然飞过的猎物。

　　再回头说这个正在听汤姆孙做报告的青年就是迈克尔逊（1852—1931年）。他原是德国人，两岁时父母带着他漂洋过海到美国来谋生。17岁时他考进海军学校，在海军服役期间省吃俭用积攒了一点儿钱，便于1881年到柏林、巴黎等地留学了两年，然后又重返美国。真是人各有好，迈克尔逊被光的各种现象迷得如醉如痴，在欧洲到处拜师访友，专解这方面的谜。他在欧洲还亲自研制了一台可以测定微小长度、折射率和光波波长的光的干涉仪。就是用这台干涉仪，他于1920年测算出了猎户星座一等变光星的直径为2.4亿英里，这是天文学史上第一次准确地测量星球。运用光来搞测量实在是迈克尔逊的拿手好戏。

　　再说那天迈克尔逊在人群里听了汤姆孙的话，心中一动，回来后就开始研究找以太的办法。他想地球这只小船在以太海洋里以每秒30千米的速度航行，如果向逆着以太风的方向和垂直于以太风的方向同时射出一种东西，根据经典力学原理，它们的合成速度肯定不同。如果能测出这种差别不就证明以太确实存在了吗？用什么东西来做这种实验呢？这当然是他得心应手的武器——光。他这样不断地研究改进，到1887年终于在莫雷的合作下完成了物理学史上那个很著名的实验。这年爱因斯坦才8岁，他万没想到一个物理学前辈现时正在为他向相对论进军扫清道路呢。

　　迈克尔逊的实验装置是这样的，在一个大水银池中漂着一块坚固的大理石板，这是为了既能灵活转动又不至摇晃。从石板一侧发出的一束光打到石板中心的玻璃上，玻璃成斜角，上面有一半镀一层银，这样射来的光线就被分成两束，一束照直穿过，一束反射到与光线来路垂直的方向。这两束光走过相同的距离后分别在石板边的两面镜子上再反射回来，汇合在望远镜头里。因为光线分成90°角，一束是逆以太而行，另一束必是垂直于以太而行，两束光的速度便应该有差别，这可以根据它们在望远镜头里汇合时的干涉现象来确定。读者也许要问，光速这样快，你这块石板能有多大，就是有差别也难测出。但是你要知道，地球也在以每秒30千米的速度前进，那么逆着以太的光和横向的光每秒也应相差30千米。而迈克尔逊这个制造仪器的高手，他的干涉仪就是一亿分之一秒的光行差也能测得出来。

　　再说迈克尔逊和莫雷架起这台仪器，他们先测了一次，从望远镜里看正是最大亮度，这说明两束光是同时返回的，它们的速度相同。迈克尔逊又把仪器转一个角度，这块大石板在水银上极平稳灵活地滑动一下，镜头里的光仍是和刚才一样的亮。他真有点儿纳闷，干脆把石板轻轻推着绕着圈观察。可是无论他将仪器转成什么角度，看到的结果仍然不变。他眼睛都看疼了，便喊莫雷继续来看，莫雷又把那个石板像推磨似的推了几圈，喊道：“迈克尔逊先生，仍然看不出什么差别，怕是我们的仪器灵敏度不够吧！”

　　“不可能。这台仪器我已经把它调到连植物在一秒钟内的生长量都可以观察到。如果有以太存在，每秒30千米的光行差是一定能够反映出来的。”

　　“那就说明以太在随着地球做百分之百的移动，我们应该尽量离开地面，到高空试一试是否有以太飘移。”

　　但是迈克尔逊和莫雷把他们的装置搬到高山顶上，甚至随着氢气球上升到半空，还是测不出这种以太引起的光行差。结论只可能有两个：要么是地球根本就没有动，要么以太这东西根本就不存在，但无论哪一条都是一说出口都叫人目瞪口呆的新闻。这天体运动经哥白尼发现到牛顿最后证明是绝不能怀疑的。相比之下倒是以太说还有一点儿漏洞，看来宇宙间根本就不存在什么以太。迈克尔逊本是想以精确的实验为以太的存在提供证据，不想结果适得其反，却从根本上否定了以太。一个小小的实验却戳破了人们想象中的宇宙。

　　正是：

　　本欲门上去贴金，手指一碰戳破门。

　　原来大门是纸糊，何必为它费苦心！

　　这迈克尔逊的实验实在精巧，后来爱因斯坦曾有一段话专门评价他道：“迈克尔逊实验得出了一个任何人都应当理解的真正伟大的结果。我总认为迈克尔逊是科学家中的艺术家，他最大的乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛。他受过的数学或理论训练很少，又没有理论方面的同事指导，而能够设计出迈克尔逊—莫雷实验，那是非常惊人的。”

　　再说迈克尔逊的实验结果一宣布立即在物理学界引起一场轩然大波，本来万里无云的蓝天上突然出现了一朵乌云。因为以太一旦被否定，城门失火，殃及池鱼，那牛顿力学的绝对时空观将要从根本上动摇。已经伴随人们过了两个世纪，指导物理学家做出无数发现的牛顿力学现在突然失灵了，经典物理学金碧辉煌的大厦突然出现了裂缝。于是各国的物理学家们纷纷提出各种方案来挽救以太，总希望迈克尔逊的实验能有另一种解释。

　　1892年英国物理学家斐兹杰惹（1851—1901年）提出了一个挽救以太的好办法。他假设一切物体在自己的运动方向上都要收缩，而且还给出一个公式，收缩的大小随运动的速率而增加。每秒运动11千米的物体，收缩十亿分之二左右，每秒运动26万千米的物体，收缩50%。物体运动的速度达到光速，它在运动方向上的长度就变为0。长度的收缩不会出现负值，所以光速也就是宇宙中所能达到的最高速度。这就是有名的“斐兹杰惹收缩”。按照这个假说，迈克尔逊在实验时，顺着地球运动方向的两块镜面间距离就会变短，这正好弥补了光束逆以太传播而减少的速度，所以并不影响它和另一束横向光同时返回到观察镜里。

　　还有一位荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928年），1904年提出一个更严密的假设，他在一篇论文中说：当电子在以太中运动时，电子将会从圆球变为椭球（它沿运动方向的半径变短）。这样，收缩说就更有根据了。好个洛伦兹，为挽救以太，竟一口气提出了十一个方案。他还提出了著名的“洛伦兹变换”，说明相对运动的坐标系之间的转换关系。和斐兹杰惹的长度缩短相似，洛伦兹又提出当电子运动的速度达到每秒26万千米时，质量会增大100%；而达到光速时，质量无限大，这当然不可能，又正好说明光速是一个极限。

　　光速既然是一个极限，迈克尔逊的实验又证明了无论哪个方向上的光束都是一样的速度，这不就是一个实实在在、干净利索的结论吗？何必又要把以太扯进来呢？而且以太既然是静止不动的，它丝毫没有自己的速度、质量，这和不存在又有什么差别？

　　各位读者，继承必须超越。一个权威的理论也常常有发生、成长和衰落的过程。因为这权威曾给我们许多指导和信赖，就像父亲对子女一样有养育之恩，所以在权威衰落之时，从感情上我们常常不能摆脱对它的依赖。要冲破旧习惯是一件很难的事情。正像一个旧王朝被推翻之前，总有人千方百计地想出许多改良政策以延长其寿命；一个旧学说被抛弃前，人们也总是想把新事实和旧理论统一起来，希望它还能维持住它的权威。可是这以太说已经如同一件老和尚的百衲衣，补丁实在太多，纵然有斐兹杰惹、洛伦兹这样的好裁缝也实在难以补缀了。

　　说到这里，容我们做一简单回忆。大凡一个新学说诞生之前，人们总要演一出《霸王别姬》或《长亭相送》之类的戏，以表述自己对旧学说不能长存的哀怨和惋惜。想那哥白尼体系诞生前夕，托勒密体系已摇摇欲坠，大量的天文观察已证明它误差太大。为修正这种误差，人们就假设行星按均轮轨道绕地运行时自己又按本轮运行，一个本轮不行，再加一个，一直加到十八个，真是不厌其烦。在氧气发现前夕，燃素说开始露出破绽，参与燃烧的物质会减轻重量，就说这是燃素跑掉了。可是有时反而会增加重量，这时就说燃素有负重量。在能量守恒定律发现之前，人们不知道热能是运动的形式，而说物体的冷热是热素在来回流动。现在以太说眼看站不住脚，人们又假设出物质运动时会收缩。但是一个老妇人无论怎样梳洗打扮也是不能当作新娘出嫁的。这种改良性的假设总不能维持长久。时间越长，危机越深，结果便是一场必然到来的革命，这就是哥白尼、拉瓦锡、焦耳的出现。现在以太说经迈克尔逊在1887年捅破之后，人们修修补补，勉强维持到1905年，这时有一个年轻人再也不愿接受这种改良了，于是便振臂一呼，提出一个革命性的学说。

　　此人到底是谁，且听下回分解。