如果說(shuō)牛頓爵爺是物理學(xué)界的“神”，那么伽利略·伽利萊，就是這位神踏上封神之路最關(guān)鍵的引路人。

在伽利略之前，物理學(xué)的天空被亞里士多德的思想牢牢籠罩——重物下落更快、地球是宇宙的中心、運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持，這些看似“天經(jīng)地義”的結(jié)論，被人們奉為圭臬，延續(xù)了近兩千年。

直到伽利略的出現(xiàn)，才用實(shí)驗(yàn)和邏輯，親手打破了這層思想的枷鎖。

伽利略的成就足以填滿(mǎn)一本厚厚的物理學(xué)史書(shū)，流傳最廣的莫過(guò)于“兩個(gè)鐵球同時(shí)落地”的故事，但其實(shí)這個(gè)故事存在諸多存疑。

歷史上，伽利略并沒(méi)有真的在比薩斜塔上公開(kāi)做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而是通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)，巧妙地將自由落體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為緩慢的斜面運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量不同質(zhì)量的小球在斜面上的運(yùn)動(dòng)距離和時(shí)間，得出了“物體下落的加速度與質(zhì)量無(wú)關(guān)”的結(jié)論。

而“兩個(gè)鐵球同時(shí)落地”，更像是后人對(duì)他實(shí)驗(yàn)思想的通俗化演繹，卻也精準(zhǔn)地抓住了他理論的核心——打破了亞里士多德“重物下落更快”的謬誤。

除了自由落體實(shí)驗(yàn)，伽利略的另一項(xiàng)偉大貢獻(xiàn)，是親手制造了人類(lèi)歷史上第一臺(tái)用于天文觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡。

在1609年，他聽(tīng)說(shuō)荷蘭人發(fā)明了能放大遠(yuǎn)處物體的裝置后，立刻動(dòng)手仿制并改進(jìn)，將放大倍數(shù)提升到30倍以上。

正是這臺(tái)簡(jiǎn)陋的望遠(yuǎn)鏡，讓人類(lèi)第一次真正“看清”了宇宙的模樣：他發(fā)現(xiàn)木星有四顆衛(wèi)星（后來(lái)被稱(chēng)為“伽利略衛(wèi)星”），證明了宇宙中存在不圍繞地球旋轉(zhuǎn)的天體；他觀測(cè)到太陽(yáng)黑子，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)也在自轉(zhuǎn)；他看到月球表面布滿(mǎn)了環(huán)形山，打破了“月球是完美球體”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

這些觀測(cè)結(jié)果，如同重磅炸彈，直接動(dòng)搖了“地心說(shuō)”的根基，為哥白尼的“日心說(shuō)”提供了最直接的觀測(cè)證據(jù)。

但在伽利略所有的成就中，最偉大、最具深遠(yuǎn)影響的，并不是這些觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，而是“相對(duì)性原理”——這個(gè)看似簡(jiǎn)單的原理，幾乎是整個(gè)牛頓力學(xué)的基石。

有人曾調(diào)侃，如果伽利略的數(shù)學(xué)天賦再出色一點(diǎn)，能搗鼓出微積分這種強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具，那么后來(lái)牛頓爵爺?shù)暮芏喑删停赡芫鸵凰崆啊邦A(yù)定”了。這句話雖有玩笑成分，卻也道出了相對(duì)性原理的重要性。

來(lái)看看伽利略說(shuō)的“相對(duì)性原理”到底是什么吧。

很多人一聽(tīng)“相對(duì)論”，就覺(jué)得高深莫測(cè)，仿佛是只有頂尖物理學(xué)家才能理解的東西，但伽利略的相對(duì)性原理，其實(shí)在日常生活中隨處可見(jiàn)，我們甚至在小學(xué)階段就已經(jīng)用到過(guò)它。不妨舉一道最簡(jiǎn)單的小學(xué)數(shù)學(xué)題，就能把這個(gè)原理說(shuō)清楚。

假設(shè)一條河流的水流速度是10公里每小時(shí)，一艘船在靜水中的速度是15公里每小時(shí)，已知甲地和乙地相距100公里，且兩地在同一條河流的上下游，那么船從甲地順流而下到乙地，需要多長(zhǎng)時(shí)間？

這道題簡(jiǎn)單到幾乎不用思考，答案就是100÷（10＋15）＝4小時(shí)。而括號(hào)里的“15＋10”，其實(shí)就是伽利略相對(duì)性原理的核心——速度疊加。

在地面上的人看來(lái)，船的速度是自身在靜水中的速度，加上水流的速度；而在船上的人看來(lái)，自己是靜止的，周?chē)乃髟谝?0公里每小時(shí)的速度流動(dòng)，岸邊的景物則在以25公里每小時(shí)的速度向后倒退。這就是相對(duì)性原理的通俗解釋?zhuān)涸诓煌摹皯T性系”（勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止的參考系）中，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是相對(duì)的，但運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是相通的。

那如果船從乙地逆流而上回到甲地呢？答案就變成了100÷（15－10）＝20小時(shí)。道理是一樣的，此時(shí)船的實(shí)際速度是自身速度減去水流速度，因?yàn)樗髟谧璧K船的前進(jìn)。這兩種情況，都是伽利略相對(duì)性原理在直線運(yùn)動(dòng)中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

如果再?gòu)?fù)雜一點(diǎn)，假設(shè)甲地和乙地都在河岸的同一側(cè)，船不需要沿著河流上下游行駛，而是要從甲地直達(dá)河對(duì)岸的乙地，那么船的速度該怎么計(jì)算呢？這就需要用到中學(xué)物理中的平行四邊形法則了。

船在靜水中的速度是一個(gè)方向（垂直于河岸），水流的速度是另一個(gè)方向（平行于河岸），這兩個(gè)速度疊加，就形成了船的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，方向是斜向?qū)Π兜模鴮?shí)際速度的大小，可以通過(guò)平行四邊形的對(duì)角線來(lái)計(jì)算。這種速度疊加的方式，就是“伽利略變換”的核心內(nèi)容——它告訴我們，在不同的慣性系中，只要通過(guò)簡(jiǎn)單的速度疊加，就能統(tǒng)一物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

伽利略變換看似簡(jiǎn)單，卻為經(jīng)典力學(xué)搭建了堅(jiān)實(shí)的框架。而真正將這個(gè)框架推向巔峰的，就是艾薩克·牛頓。牛頓爵爺在伽利略相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上，用精準(zhǔn)的物理定律和數(shù)學(xué)公式，將整個(gè)經(jīng)典力學(xué)體系完整地建立了起來(lái)，其中最核心的就是牛頓第一定律——“物體在不受到外力的情況下，會(huì)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或者靜止?fàn)顟B(tài)”。

牛頓第一定律看似簡(jiǎn)單，卻直接引出了“慣性系”的概念——所謂慣性系，就是滿(mǎn)足牛頓第一定律的參考系，也就是勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止的參考系。

而伽利略的相對(duì)性原理，其實(shí)也可以理解為：物理定律在所有慣性系中都是等價(jià)的，無(wú)論你在勻速行駛的火車(chē)上，還是在靜止的地面上，做同樣的物理實(shí)驗(yàn)，都會(huì)得到同樣的結(jié)果。如果兩個(gè)慣性系之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只要通過(guò)伽利略變換，就能將一個(gè)參考系中的物理規(guī)律，轉(zhuǎn)化為另一個(gè)參考系中的規(guī)律。

但這里就出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：船在相對(duì)于河流運(yùn)動(dòng)，河流在相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)，地球在相對(duì)于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)在相對(duì)于銀河系的核心運(yùn)動(dòng)，銀河系又在相對(duì)于宇宙中的某個(gè)未知核心運(yùn)動(dòng)……這樣一直推導(dǎo)下去，所有物體的運(yùn)動(dòng)，最終都要相對(duì)于一個(gè)“絕對(duì)靜止”的參考系嗎？這個(gè)絕對(duì)靜止的參考系是什么？

牛頓爵爺給出了自己的答案：我認(rèn)為存在一個(gè)“絕對(duì)空間”，它是永恒不變、絕對(duì)靜止的，是所有物體運(yùn)動(dòng)的最終參考系。為了證明絕對(duì)空間的存在，牛頓在他的開(kāi)山之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，記載了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)——水桶實(shí)驗(yàn)，這也是全書(shū)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，足見(jiàn)其重要性。

水桶實(shí)驗(yàn)的大意是這樣的：“如果用長(zhǎng)繩吊一水桶，讓它旋轉(zhuǎn)至繩扭緊，然后將水注入，此時(shí)水與桶都處于靜止?fàn)顟B(tài)，水面是平的。再用另一個(gè)力，突然讓桶沿反方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)繩子完全放松時(shí)，桶的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)還會(huì)維持一段時(shí)間；而此時(shí)，水的表面起初仍然是平的，和桶開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)一樣。

但是過(guò)了一會(huì)兒，當(dāng)桶逐漸把運(yùn)動(dòng)傳遞給水，讓水也開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)看到水漸漸地脫離其中心，沿桶壁上升，形成一個(gè)凹狀的水面。水的旋轉(zhuǎn)速度越快，水面上升得就越高，直到最后，水與桶的轉(zhuǎn)速完全一致，水面就呈現(xiàn)出相對(duì)靜止的狀態(tài)。”

這個(gè)實(shí)驗(yàn)看似簡(jiǎn)單，卻蘊(yùn)含著深刻的物理意義，直接引出了牛頓力學(xué)中最重要的概念——絕對(duì)空間。

牛頓認(rèn)為，水面的狀態(tài)變化，恰恰證明了絕對(duì)空間的存在。

當(dāng)桶旋轉(zhuǎn)而水不旋轉(zhuǎn)時(shí)，水和桶之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但水面是平的；當(dāng)水和桶一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩者之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但水面卻是凹的。這就說(shuō)明，水的運(yùn)動(dòng)傾向，并不依賴(lài)于水相對(duì)于桶、相對(duì)于地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是取決于水相對(duì)于絕對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)。只有當(dāng)水相對(duì)于絕對(duì)空間靜止時(shí)，水面才是平的；當(dāng)水相對(duì)于絕對(duì)空間旋轉(zhuǎn)時(shí)，水面就會(huì)變成凹的。

可能還是有很多人覺(jué)得這個(gè)概念有點(diǎn)玄乎，畢竟“絕對(duì)空間”看不見(jiàn)、摸不著，怎么才能更好地理解它呢？不妨請(qǐng)出劉慈欣（大劉）來(lái)給大家做一個(gè)通俗的解釋?zhuān)诳苹眯≌f(shuō)《信使》中，用一段精彩的描寫(xiě)，完美詮釋了絕對(duì)空間的本質(zhì)。

小說(shuō)的最后一段是這樣寫(xiě)的：“他沒(méi)有像老人想像的那樣化作一道白光離去，而是沿一條斜線急速向上升去。幾秒鐘后，他就消失在群星燦爛的夜空之中。他上升的速度很恒定，沒(méi)有加速過(guò)程。很明顯，不是他在上升，而是地球在移動(dòng)，他是絕對(duì)靜止的，至少在這個(gè)時(shí)空中是絕對(duì)靜止的。老人猜測(cè)，他可能使自己處于一個(gè)絕對(duì)時(shí)空坐標(biāo)的原點(diǎn)，他站在時(shí)間長(zhǎng)河的河岸上，看著時(shí)間急流滾滾而過(guò)，愿意的話，他可以走到上下游的任何一處。”

這段文字中的“老人”，就是愛(ài)因斯坦，而“他”，是從未來(lái)穿越回來(lái)探望愛(ài)因斯坦的信使。這個(gè)信使所保持的“絕對(duì)靜止”，就是牛頓所說(shuō)的“絕對(duì)空間”中的靜止——他不相對(duì)于任何物體運(yùn)動(dòng)，只相對(duì)于那個(gè)永恒不變的絕對(duì)空間靜止。在大劉的筆下，這種絕對(duì)靜止幾乎就是“神”的能力，而牛頓口中的絕對(duì)空間，也仿佛就是上帝的居所，是整個(gè)宇宙運(yùn)動(dòng)的終極參考。

牛頓正是依靠絕對(duì)空間的概念，再加上伽利略的相對(duì)性原理，一步步推導(dǎo)出了整個(gè)經(jīng)典力學(xué)體系。

他從日常生活中最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象出發(fā)，用簡(jiǎn)潔的公式和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫞⑵鹆艘蛔鶛M跨天地的物理學(xué)大廈——小到蘋(píng)果落地，大到行星公轉(zhuǎn)，都能在牛頓力學(xué)的框架下得到完美的解釋。不得不慨嘆，牛頓爵爺果然是“天神下凡”，他的智慧，足以照亮一個(gè)時(shí)代的物理學(xué)天空。

但凡事皆有兩面性，我們?cè)诳畤@牛頓偉大的同時(shí)，也能從中發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵：既然經(jīng)典力學(xué)的根基是相對(duì)性原理和絕對(duì)空間，那么要想推翻牛頓的理論，只要推翻這兩個(gè)根基中的任意一個(gè)就可以了。

說(shuō)起來(lái)容易，但做起來(lái)卻難如登天——牛頓力學(xué)的解釋力實(shí)在太強(qiáng)，在當(dāng)時(shí)的觀測(cè)條件下，幾乎沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)?zāi)芘c之相悖。

直到一個(gè)人的出現(xiàn)，以及一個(gè)看似不起眼的發(fā)現(xiàn)，才打破了這份“完美”。

在牛頓之后的近兩百年里，經(jīng)典力學(xué)一直是物理學(xué)界的“絕對(duì)權(quán)威”，幾乎所有的物理現(xiàn)象都能在這個(gè)框架下得到解釋。但隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展，一個(gè)新的領(lǐng)域逐漸崛起——電磁學(xué)，而真正將電磁學(xué)推向成熟，并用數(shù)學(xué)語(yǔ)言將其固定下來(lái)的，就是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。

麥克斯韋的核心貢獻(xiàn)，就是建立了麥克斯韋方程組。

不過(guò)有一個(gè)小知識(shí)點(diǎn)需要澄清：我們現(xiàn)在看到的麥克斯韋方程組，并不是麥克斯韋最初提出的樣子。麥克斯韋在1865年發(fā)表的論文中，最初列出的方程組有二十個(gè)之多，形式復(fù)雜，難以理解。

后來(lái)，德國(guó)物理學(xué)家赫茲對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將二十個(gè)方程簡(jiǎn)化為八個(gè)；再之后，英國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯，又進(jìn)一步將其簡(jiǎn)化為四個(gè)方程，也就是我們現(xiàn)在所熟知的麥克斯韋方程組。這四個(gè)方程簡(jiǎn)潔優(yōu)美，涵蓋了所有電磁現(xiàn)象的規(guī)律，被譽(yù)為“物理學(xué)最美的公式”之一。

當(dāng)麥克斯韋將整理好的方程組交給法拉第時(shí)，這位一生追求電磁學(xué)真理的老人終于心滿(mǎn)意足，不久后便駕鶴西游。但法拉第的離去，卻給麥克斯韋留下了一個(gè)巨大的煩惱——他在研究麥克斯韋方程組時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顛覆性的結(jié)論：光速不變。

在經(jīng)典力學(xué)中，任何物體的速度都是相對(duì)的，都遵循伽利略變換的速度疊加原理。

比如，一個(gè)人在速度為10米每秒的火車(chē)上，以5米每秒的速度向前奔跑，那么在地面上的人看來(lái)，這個(gè)人的速度就是10＋5＝15米每秒；如果這個(gè)人向后奔跑，速度就是10－5＝5米每秒。這是我們常識(shí)范圍內(nèi)的認(rèn)知，也是經(jīng)典力學(xué)的基本規(guī)律。

但麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來(lái)的光速，卻打破了這個(gè)規(guī)律。

一般來(lái)說(shuō)，我們計(jì)算速度都是用距離除以時(shí)間，即v=s/t，但麥克斯韋計(jì)算光速的方式卻截然不同，他通過(guò)方程組推導(dǎo)得出，光速c的大小的計(jì)算公式為：c=1/√(μ?ε?)，其中μ?是真空磁導(dǎo)率，ε?是真空介電常數(shù)。

這里的關(guān)鍵的是：μ?和ε?都是宇宙中的基本常數(shù)，它們的數(shù)值是固定不變的，與觀測(cè)者的參考系無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，無(wú)論你是在靜止的地面上，還是在勻速行駛的火車(chē)上、船上，甚至是在以極高速度飛行的宇宙飛船上，測(cè)量出來(lái)的μ?和ε?的數(shù)值都是一樣的。

這就意味著，光速c也是一個(gè)固定不變的常數(shù)，與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)——不管你是面向光奔跑，還是背離光遠(yuǎn)去，你測(cè)量到的光速，永遠(yuǎn)都是同一個(gè)數(shù)值，不會(huì)因?yàn)槟愕倪\(yùn)動(dòng)而變快或變慢。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓麥克斯韋陷入了深深的困惑，也給整個(gè)經(jīng)典力學(xué)帶來(lái)了巨大的危機(jī)。因?yàn)榘凑召だ缘南鄬?duì)性原理，速度是可以疊加的，而光速不變的結(jié)論，卻直接與伽利略變換相悖。

這就形成了一個(gè)兩難的局面：要么是伽利略的相對(duì)性原理不對(duì)，因?yàn)楣馑俨环纤俣券B加的規(guī)律；要么是麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來(lái)的光速不變結(jié)論不對(duì)，二者只能選一個(gè)。

當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界，大多數(shù)學(xué)者都不愿意放棄任何一個(gè)理論——伽利略的相對(duì)性原理已經(jīng)被無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是經(jīng)典力學(xué)的基石；而麥克斯韋方程組也完美地解釋了所有電磁現(xiàn)象，得到了實(shí)驗(yàn)的廣泛支持。于是有人調(diào)侃：“孩子才做選擇，成年人當(dāng)然是兩個(gè)都要。”

但調(diào)侃歸調(diào)侃，如何調(diào)和這兩個(gè)看似矛盾的理論，成為了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界最棘手的問(wèn)題，也為后來(lái)的“以太學(xué)說(shuō)”埋下了伏筆。

說(shuō)起以太，其實(shí)并不是一個(gè)全新的概念，它最早可以追溯到古希臘時(shí)期，亞里士多德就曾提出“以太”是構(gòu)成天體的第五種元素（另外四種是土、水、火、氣）。

但真正讓以太成為物理學(xué)界核心概念的，是波動(dòng)說(shuō)的興起。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們認(rèn)為，光是一種波，而根據(jù)經(jīng)典波動(dòng)理論，任何波的傳播都需要介質(zhì)——比如聲波的傳播需要空氣，水波的傳播需要水，那么光波的傳播，也必然需要一種特殊的介質(zhì)，這種介質(zhì)就是以太。

當(dāng)時(shí)，幾乎所有的光學(xué)大佬都支持以太的存在，比如惠更斯、托馬斯·楊、菲涅爾等人。

惠更斯提出了光的波動(dòng)說(shuō)，認(rèn)為光是一種機(jī)械波，必須依靠以太才能傳播；托馬斯·楊通過(guò)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，證明了光的波動(dòng)性，進(jìn)一步鞏固了以太學(xué)說(shuō)；菲涅爾則通過(guò)理論推導(dǎo)，完善了以太的傳播規(guī)律，提出了“以太曳引假說(shuō)”。就連麥克斯韋本人，也對(duì)以太深信不疑——他認(rèn)為，電磁波就是以太的振動(dòng)，麥克斯韋方程組描述的，就是以太的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

以太不僅得到了物理學(xué)家的認(rèn)可，還走進(jìn)了文學(xué)領(lǐng)域，詩(shī)人普希金就曾在詩(shī)中寫(xiě)道：“靜夜的和風(fēng)，象以太一樣流動(dòng)。”這句詩(shī)精準(zhǔn)地捕捉到了當(dāng)時(shí)人們對(duì)以太的認(rèn)知——它無(wú)處不在、無(wú)形無(wú)質(zhì)，像靜夜的和風(fēng)一樣，彌漫在整個(gè)宇宙中，卻又難以被直接感知。但這種“無(wú)形無(wú)質(zhì)”的特性，也讓以太陷入了一個(gè)自相矛盾的困境。

為了滿(mǎn)足光波傳播的需求，物理學(xué)家們對(duì)以太的性質(zhì)提出了一系列相互矛盾的要求：

一方面，以太必須是靜止不動(dòng)的，因?yàn)樗墙^對(duì)空間的化身，是所有物體運(yùn)動(dòng)的終極參考系；

另一方面，為了解釋天體的運(yùn)動(dòng)，又需要以太存在“漩渦”，否則天體在以太中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到巨大的阻力。

同時(shí)，以太還必須具有極大的彈性，才能傳播頻率極高的光波；但另一方面，它又必須具有極大的剛性，才能保證光波的傳播速度恒定。這種相互矛盾的性質(zhì)，讓以太成為了一種“不可能存在”的神秘物質(zhì)——它既要有這樣的性質(zhì)，又要具備那樣的特性，仿佛是物理學(xué)家們?yōu)榱苏{(diào)和理論矛盾，強(qiáng)行“創(chuàng)造”出來(lái)的東西。

科學(xué)的核心是實(shí)驗(yàn)，既然大家都認(rèn)為以太存在，那么最直接的方式就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到它。

于是，在1887年，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷，設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)——邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)，試圖檢測(cè)地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)速度，從而證明以太的存在。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路非常巧妙：他們利用光的干涉現(xiàn)象，將一束光分成兩束，一束沿著地球公轉(zhuǎn)的方向傳播，另一束垂直于地球公轉(zhuǎn)的方向傳播。

根據(jù)以太學(xué)說(shuō)，地球在以太中運(yùn)動(dòng)，那么沿著地球公轉(zhuǎn)方向傳播的光，其速度應(yīng)該是光速加上地球相對(duì)于以太的速度；而垂直方向傳播的光，其速度則不受地球運(yùn)動(dòng)的影響。這樣一來(lái)，兩束光傳播的距離相同，速度不同，到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間就會(huì)有差異，從而產(chǎn)生干涉條紋。如果能觀測(cè)到這種干涉條紋的移動(dòng)，就證明了以太的存在，也能計(jì)算出地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)速度。

但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，卻讓所有物理學(xué)家都大跌眼鏡——實(shí)驗(yàn)得出了“零結(jié)果”，也就是說(shuō)，無(wú)論他們?nèi)绾握{(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，都沒(méi)有觀測(cè)到干涉條紋的移動(dòng)。

這意味著，地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)速度為零，或者說(shuō)，以太根本就不存在。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就像捅了馬蜂窩一樣，在物理學(xué)界引起了巨大的震動(dòng)，成為了19世紀(jì)末物理學(xué)界“兩朵烏云”中的一朵（另一朵烏云是黑體輻射問(wèn)題）。

可能有人會(huì)問(wèn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和牛頓爵爺有什么關(guān)系？畢竟牛頓并沒(méi)有說(shuō)過(guò)以太存在。

但問(wèn)題的關(guān)鍵在于，牛頓提出了“絕對(duì)空間”，而當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們，大多將以太視為絕對(duì)空間的“物質(zhì)載體”——以太就是絕對(duì)空間的具體體現(xiàn)，是絕對(duì)靜止的。所以，邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，雖然沒(méi)有直接否定牛頓的經(jīng)典力學(xué)，但卻動(dòng)搖了絕對(duì)空間的根基，也讓牛頓的理論陷入了尷尬的境地。

牛頓爵爺在提出絕對(duì)空間時(shí)，并沒(méi)有給出明確的證據(jù)，只是憑借邏輯推導(dǎo)和水桶實(shí)驗(yàn)的間接證明，就斷言絕對(duì)空間的存在。用現(xiàn)在的話來(lái)說(shuō)，這有點(diǎn)“不講理”，但在當(dāng)時(shí)，牛頓的權(quán)威足以讓人們信服。可這種“不講理”，卻惹惱了一位關(guān)鍵人物——恩斯特·馬赫，一位堅(jiān)定的實(shí)證主義物理學(xué)家。

如果說(shuō)牛頓是“神”，那么馬赫就是“弒神者”；如果說(shuō)愛(ài)因斯坦是后來(lái)顛覆經(jīng)典力學(xué)的“魔鬼”，那么馬赫就是這位魔鬼的引路人。

馬赫的核心思想是實(shí)證主義——任何物理概念，只要無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，就是不存在的。

他對(duì)牛頓的絕對(duì)空間理論提出了尖銳的批判：“實(shí)驗(yàn)觀察不到的東西，就等于不存在，有本事你就把絕對(duì)空間找出來(lái)。”

針對(duì)牛頓的水桶實(shí)驗(yàn)，馬赫給出了完全不同的解釋。

他認(rèn)為，水的運(yùn)動(dòng)傾向，并不是取決于絕對(duì)空間，而是取決于遙遠(yuǎn)的星空——水的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的凹面，是因?yàn)樗鄬?duì)于宇宙中所有天體的運(yùn)動(dòng)，而不是相對(duì)于某個(gè)絕對(duì)靜止的空間。

看似只是換了一種說(shuō)法，但其中的差別卻天壤之別：遙遠(yuǎn)的星空是可以觀測(cè)的，是真實(shí)存在的；而絕對(duì)空間是看不見(jiàn)、摸不著、無(wú)法觀測(cè)的，按照實(shí)證主義的觀點(diǎn)，它根本就不存在。馬

赫的這個(gè)觀點(diǎn)，徹底否定了牛頓的絕對(duì)空間，也為后來(lái)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論埋下了思想的種子。

在馬赫批判牛頓的同時(shí)，另一位物理學(xué)家亨德里克·洛倫茲，卻試圖拯救絕對(duì)空間的概念，或者說(shuō)，試圖拯救以太學(xué)說(shuō)。

洛倫茲并沒(méi)有明說(shuō)自己在維護(hù)絕對(duì)空間，而是將以太視為一個(gè)絕對(duì)靜止的參考系，這其實(shí)和牛頓的絕對(duì)空間沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。但洛倫茲的高明之處在于，他沒(méi)有回避邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，而是提出了一個(gè)大膽的猜想，并用數(shù)學(xué)公式證明了自己的猜想——這就是洛倫茲變換。

洛倫茲認(rèn)為，當(dāng)觀察者相對(duì)于以太以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，以太（也就是空間介質(zhì)）會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生收縮，這種收縮會(huì)恰好抵消不同方向上的光速差異。

也就是說(shuō)，邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)之所以得出零結(jié)果，并不是因?yàn)橐蕴淮嬖冢且驗(yàn)橛^測(cè)者和實(shí)驗(yàn)裝置都隨著地球一起運(yùn)動(dòng)，空間在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生了收縮，導(dǎo)致兩束光的傳播時(shí)間差被抵消了。這種空間收縮的效應(yīng)，就是后來(lái)我們所說(shuō)的“尺縮效應(yīng)”，而與之對(duì)應(yīng)的，還有“鐘慢效應(yīng)”——運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢。

洛倫茲的這個(gè)猜想，雖然解決了邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果問(wèn)題，也調(diào)和了相對(duì)性原理與光速不變的矛盾，但卻觸動(dòng)了另一條科學(xué)鐵律——奧卡姆剃刀原則。

奧卡姆剃刀原則的核心是“如無(wú)必要，勿增實(shí)體”，也就是說(shuō)，在解釋一個(gè)現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)該選擇最簡(jiǎn)單、最簡(jiǎn)潔的理論，不要隨意增加不必要的假設(shè)。

洛倫茲變換恰恰違反了這一原則。

為了解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，洛倫茲引入了“以太”“空間收縮”“時(shí)間變慢”等一系列新的假設(shè)，讓原本簡(jiǎn)潔的經(jīng)典力學(xué)體系變得更加復(fù)雜。而且，洛倫茲并沒(méi)有放棄以太的概念，他依然將以太視為絕對(duì)靜止的參考系，這就相當(dāng)于在經(jīng)典力學(xué)的框架上，又強(qiáng)行添加了一層復(fù)雜的“補(bǔ)丁”。

這種做法，雖然暫時(shí)解決了問(wèn)題，卻也為后來(lái)愛(ài)因斯坦的突破創(chuàng)造了機(jī)會(huì)——愛(ài)因斯坦正是跳出了以太的束縛，拋棄了絕對(duì)空間的概念，才找到了真正的解決方案。

1905年，被后人稱(chēng)為“愛(ài)因斯坦奇跡年”。

這一年，一位年僅26歲的年輕人，在瑞士伯爾尼專(zhuān)利局做著一份普通的職員工作，拿著微薄的薪水，甚至連結(jié)婚的錢(qián)都沒(méi)有，卻在一年內(nèi)發(fā)表了三篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，徹底改變了物理學(xué)的發(fā)展方向。這位年輕人，就是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦——后來(lái)被人們尊稱(chēng)為“愛(ài)神”，但在當(dāng)時(shí)，他還只是一個(gè)默默無(wú)聞的打工人，一個(gè)連學(xué)術(shù)圈都沒(méi)進(jìn)入的“門(mén)外漢”。

很多人都好奇，一個(gè)沒(méi)有進(jìn)入頂尖科研機(jī)構(gòu)、沒(méi)有專(zhuān)業(yè)科研資源的專(zhuān)利局職員，為什么能做出如此偉大的成就？其實(shí)，這和愛(ài)因斯坦的個(gè)人經(jīng)歷和思維方式密切相關(guān)。

愛(ài)因斯坦從小就對(duì)宇宙的奧秘充滿(mǎn)好奇，他不迷信權(quán)威，不盲從傳統(tǒng)理論，善于用批判性思維思考問(wèn)題。而且，專(zhuān)利局的工作雖然瑣碎，卻給了他足夠的時(shí)間和空間去思考——每天處理完瑣碎的專(zhuān)利申請(qǐng)，他就會(huì)利用空閑時(shí)間，思考那些困擾物理學(xué)界的重大問(wèn)題。

愛(ài)因斯坦后來(lái)回憶說(shuō)，自己受到別人的影響很小，但這可能只是一種謙虛的說(shuō)法。

畢竟，作為一個(gè)普通的專(zhuān)利局職員，他很難訂閱國(guó)際頂級(jí)的學(xué)術(shù)期刊，也很難及時(shí)了解物理學(xué)界的最新進(jìn)展。但在他晚年，卻曾明確表示：“您（邁克爾遜）揭示了當(dāng)時(shí)存在的光以太理論中的一個(gè)包蔽著的缺陷，它啟發(fā)了洛倫茲和斐茲杰惹的思想，狹義相對(duì)論正是從這些思想中發(fā)展起來(lái)的。”

1928年，洛倫茲去世，愛(ài)因斯坦在洛倫茲的墓前致詞時(shí)，更是深情地說(shuō)道：“洛倫茲的成就對(duì)我產(chǎn)生了最偉大的影響，他是我們時(shí)代最偉大、最高尚的人。”這足以說(shuō)明，洛倫茲的理論和邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)，對(duì)愛(ài)因斯坦的思考產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。

或許，愛(ài)因斯坦當(dāng)初說(shuō)“受到別人影響很小”，只是不想承認(rèn)自己的思想是建立在別人的基礎(chǔ)上；也或許，是他后來(lái)情商見(jiàn)長(zhǎng)，懂得了尊重前輩的貢獻(xiàn)。但無(wú)論如何，愛(ài)因斯坦最終徹底解決了困擾物理學(xué)界多年的矛盾，提出了狹義相對(duì)論，完成了一場(chǎng)物理學(xué)的革命。

愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，核心只有兩個(gè)基本假設(shè)，簡(jiǎn)單而又顛覆：

第一，相對(duì)性原理繼續(xù)有效，而且范圍被擴(kuò)大了——以前，相對(duì)性原理只在力學(xué)領(lǐng)域有效，而愛(ài)因斯坦認(rèn)為，相對(duì)性原理對(duì)電磁學(xué)領(lǐng)域同樣有效，也就是說(shuō)，所有的物理定律（無(wú)論是力學(xué)定律還是電磁學(xué)定律），在所有慣性系中都是等價(jià)的；

第二，光速不變?cè)恚凑婵罩械墓馑僭谌魏螒T性系中都是恒定不變的，它不隨觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，也不隨光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，光速是宇宙中的最高速度。

這兩個(gè)假設(shè)看似簡(jiǎn)單，卻徹底推翻了經(jīng)典力學(xué)的框架。為了讓大家更好地理解這兩個(gè)假設(shè)的意義，愛(ài)因斯坦提出了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)——火車(chē)燈光實(shí)驗(yàn)。

假設(shè)一列火車(chē)以恒定的速度勻速行駛，在火車(chē)的正中間，點(diǎn)燃一盞燈。在火車(chē)上，有兩個(gè)人分別站在燈的前方和后方，且距離燈的距離相等。那么，對(duì)于這兩個(gè)人來(lái)說(shuō)，燈光從燈出發(fā)，同時(shí)到達(dá)他們兩人的眼中，也就是說(shuō)，他們是同時(shí)看到燈亮的。

但如果站在火車(chē)下面的地面上，觀察這一現(xiàn)象，結(jié)果就會(huì)完全不同。在地面上的人看來(lái)，火車(chē)是向前運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)燈光點(diǎn)燃時(shí)，火車(chē)還在繼續(xù)向前行駛。

因此，對(duì)于火車(chē)前方的人來(lái)說(shuō)，燈光需要傳播的距離，是他在火車(chē)上距離燈的距離，加上火車(chē)在燈光傳播過(guò)程中前進(jìn)的距離；而對(duì)于火車(chē)后方的人來(lái)說(shuō)，燈光需要傳播的距離，是他在火車(chē)上距離燈的距離，減去火車(chē)前進(jìn)的距離。按照經(jīng)典力學(xué)的速度疊加原理，地面上的人應(yīng)該看到，火車(chē)前方的人先看到燈光，后方的人后看到燈光。

但愛(ài)因斯坦認(rèn)為，這是不可能的——因?yàn)橄鄬?duì)性原理告訴我們，物理定律在所有慣性系中都是等價(jià)的，“同時(shí)”這個(gè)概念，也應(yīng)該是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的。

也就是說(shuō)，在火車(chē)上的人看來(lái)，兩人是同時(shí)看到燈亮的；而在地面上的人看來(lái)，兩人并不是同時(shí)看到燈亮的。這并不是因?yàn)闊艄獾膫鞑ニ俣茸兞耍且驗(yàn)椤皶r(shí)間”和“空間”并不是絕對(duì)的，它們會(huì)隨著觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而發(fā)生變化。

那么，問(wèn)題出在哪里呢？

愛(ài)因斯坦指出，問(wèn)題就出在伽利略變換上。

伽利略變換只是一個(gè)近似的變換，它只在物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)成立；當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，伽利略變換就不再適用，取而代之的，是洛倫茲變換。洛倫茲變換恰恰能解釋這種“同時(shí)性的相對(duì)性”——它意味著，運(yùn)動(dòng)的參考系中，會(huì)出現(xiàn)“尺縮鐘慢”效應(yīng)：在運(yùn)動(dòng)方向上，空間會(huì)收縮，時(shí)間會(huì)變慢。正是因?yàn)榛疖?chē)上的空間在前進(jìn)方向上發(fā)生了收縮，所以燈光到達(dá)前后兩人的時(shí)間，在火車(chē)上的人看來(lái)是同時(shí)的，而在地面上的人看來(lái)則是不同時(shí)的。

這里需要特別強(qiáng)調(diào)的是，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，并沒(méi)有用到牛頓的絕對(duì)空間概念，也沒(méi)有用到以太的概念。

他完全拋棄了這些不必要的假設(shè)，僅僅依靠相對(duì)性原理和光速不變?cè)恚屯茖?dǎo)出了整個(gè)狹義相對(duì)論體系，完美地調(diào)和了經(jīng)典力學(xué)與電磁學(xué)的矛盾。

這也正是愛(ài)因斯坦比洛倫茲高明的地方——洛倫茲雖然提出了洛倫茲變換，但他始終沒(méi)有放棄以太和絕對(duì)空間的概念，相當(dāng)于被傳統(tǒng)思想束縛住了手腳；而愛(ài)因斯坦則跳出了這個(gè)束縛，敢于否定權(quán)威，敢于突破傳統(tǒng)，最終開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的物理學(xué)時(shí)代。

通過(guò)洛倫茲變換，愛(ài)因斯坦還推導(dǎo)出了一個(gè)重要的結(jié)論——質(zhì)量與速度的關(guān)系。根據(jù)相對(duì)性原理，動(dòng)量定理在所有慣性系中都是有效的。動(dòng)量的計(jì)算公式是p=mv（m是質(zhì)量，v是速度），而牛頓第二定律的原始形式并不是我們現(xiàn)在熟知的F=ma，而是F=dp/dt（即力等于動(dòng)量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)）。

這里有一個(gè)有趣的小插曲：我們現(xiàn)在常用的F=ma，其實(shí)是馬赫后來(lái)整理的結(jié)果。

馬赫認(rèn)為，質(zhì)量m是一個(gè)恒定不變的常數(shù)，不隨速度變化，所以他將F=dp/dt簡(jiǎn)化為F=ma。

但愛(ài)因斯坦通過(guò)狹義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量并不是恒定不變的，它會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的增加而變大——當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，質(zhì)量會(huì)趨向于無(wú)窮大。這樣一來(lái)，牛頓第二定律的原始形式F=dp/dt，就不再能簡(jiǎn)化為F=ma，因?yàn)橘|(zhì)量m是隨速度變化的。

從這個(gè)角度來(lái)看，牛頓和馬赫到底誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，其實(shí)很難說(shuō)清楚——馬赫的簡(jiǎn)化，在低速情況下是成立的，但在高速情況下就不再適用；而牛頓的原始公式，反而更符合相對(duì)論的觀點(diǎn)。

在質(zhì)量與速度關(guān)系的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦繼續(xù)推導(dǎo)，結(jié)合相對(duì)性原理和動(dòng)能定理，最終得出了物理學(xué)史上最著名的公式——質(zhì)能方程：E=mc2，其中E是能量，m是質(zhì)量，c是光速。這個(gè)公式告訴我們，質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的，一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量，就能轉(zhuǎn)化為巨大的能量——這也為后來(lái)的核能開(kāi)發(fā)、原子彈的發(fā)明，提供了理論基礎(chǔ)。

狹義相對(duì)論的誕生，徹底解決了經(jīng)典力學(xué)與電磁學(xué)的矛盾，重塑了人類(lèi)對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)知。

但愛(ài)因斯坦并沒(méi)有停下腳步，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)，狹義相對(duì)論還有一個(gè)巨大的局限——它只適用于慣性系，也就是勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止的參考系。但在現(xiàn)實(shí)生活中，我們遇到的大多數(shù)運(yùn)動(dòng)，都是有加速度的——比如汽車(chē)啟動(dòng)、剎車(chē)，物體自由下落，行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，這些運(yùn)動(dòng)都不是勻速直線運(yùn)動(dòng)，都屬于非慣性系。

生活不止眼前的茍且，物理學(xué)也不止慣性系中的運(yùn)動(dòng)。如果存在加速度，狹義相對(duì)論就不再適用，那么該如何解釋非慣性系中的物理現(xiàn)象呢？該如何將相對(duì)性原理的范圍，進(jìn)一步擴(kuò)大到非慣性系呢？這就是愛(ài)因斯坦接下來(lái)要解決的問(wèn)題，也是廣義相對(duì)論的核心課題。

廣義相對(duì)論的提出，比狹義相對(duì)論更加艱難，它需要更復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具（黎曼幾何），也需要更大膽的猜想（等效原理）。愛(ài)因斯坦花費(fèi)了整整十年的時(shí)間，從1905年到1915年，不斷思考、推導(dǎo)、修正，最終在1915年發(fā)表了廣義相對(duì)論的核心論文，完成了又一次物理學(xué)的革命。

廣義相對(duì)論徹底顛覆了人類(lèi)對(duì)引力的認(rèn)知——它認(rèn)為，引力并不是一種力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。質(zhì)量越大的物體，對(duì)時(shí)空的彎曲程度就越大，周?chē)奈矬w就會(huì)沿著彎曲的時(shí)空運(yùn)動(dòng)，這就形成了我們所看到的引力現(xiàn)象。

比如，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，并不是因?yàn)樘?yáng)對(duì)地球有引力，而是因?yàn)樘?yáng)的質(zhì)量很大，彎曲了周?chē)臅r(shí)空，地球只能沿著彎曲的時(shí)空軌道運(yùn)動(dòng)。

關(guān)于廣義相對(duì)論的具體內(nèi)容，我們會(huì)在之后的文章中詳細(xì)解讀。

但僅僅從狹義相對(duì)論的誕生過(guò)程，我們就能夠感受到物理學(xué)的魅力——它不是一成不變的教條，而是不斷發(fā)展、不斷突破的科學(xué)。從伽利略的相對(duì)性原理，到牛頓的經(jīng)典力學(xué)，再到麥克斯韋的電磁學(xué)，最后到愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，每一位大師都在前人的基礎(chǔ)上，不斷探索、不斷質(zhì)疑、不斷突破，最終推動(dòng)了人類(lèi)認(rèn)知的進(jìn)步。