相對論誕生：愛因斯坦是如何創立狹義相對論的？（上）
在什麼條件下產生等傾干涉條紋
在上一篇文章《
相對論前夜：牛頓和麥克斯韋的戰爭
》裡，我給大家描繪了相對論誕生前夜的物理圖景：
伽利略
攜
相對性原理
橫空出世，跟
牛頓力學
配合得天衣無縫。
伽利略變換
代表了
絕對時空觀
，牛頓力學的所有定律又可以在伽利略變換下保持數學形式不變，也就是具有
伽利略協變性
。那是一個禮尚往來，沒有戰爭的美好年代。
然而，
麥克斯韋方程組
的出現打破了這種平靜。因為它不具有
伽利略協變性
，跟
伽利略-牛頓
組建的世界玩不到一起去。
那麼，
麥克斯韋方程組是否滿足相對性原理呢
？
面對這個靈魂拷問，我們回答
是
也不是，
不是
也不是，這可把物理學家們急壞了。
這些內容我在
上一篇文章
裡都
從零
做了非常詳細的說明，請大家在閱讀本文之前
務必確保
自己先看了公眾號的
上一篇
。否則，由此引發的諸多不適，
長尾君
概不負責~
接下來就是大家熟悉的套路了：世界一片混亂，一位攜主角光環的少年橫空出世，挽狂瀾於既倒，扶大廈之將傾。最後世界又重歸於和平，全劇終。
這裡要出場的主人公，就是家喻戶曉，如雷貫耳的
愛因斯坦
。他給出的解決方案，就是大名鼎鼎的
狹義相對論
。
那麼，
愛因斯坦
究竟是如何平定
牛頓
和
麥克斯韋
的戰爭的？他又是如何回答“
麥克斯韋方程組是否滿足相對性原理？
”這個靈魂拷問的呢？
先不急著要答案，我們先來看看這個問題到底難在哪。
01電磁疑難
麥克斯韋
提出麥克斯韋方程組以後，就預言
光是一種電磁波
，並算出了電磁波的速度。
然後，奇怪的事情就發生了：
麥克斯韋在沒有選定任何參考
系
的情況下，就直接從方程組推出了電磁波的速度等於光速c
（具體細節可以參考之前的文章《見證奇蹟的時刻：如何從麥克斯韋方程組推出電磁波？》）。
如果你是第一次聽這句話，你可能並不瞭解事情到底怪在哪，那我再解釋一下。
大家都知道，我們在談論
速度
時，一定要先指明
參考系
。我坐在高鐵上沒動，那是以
火車
為參考系；如果以
地面
為參考系，那我就是以
300km/h
的速度在飛馳。
所以，單獨談論我的速度是
沒有任何意義
的。你一定要先指明
參考系
，是在
地面
還是
火車
上看，然後才能談論我的速度。
同理，我們在談論
光的速度
時，一樣也要先指明
參考系
。
那麼，從
麥克斯韋方程組
推出的
電磁波速度
到底是哪個
參考系
下的速度呢？
因為電磁波的速度是直接從
麥克斯韋方程組
推出來的，所以，只要麥克斯韋方程組在某個
參考系
裡成立，我們就可以說
電磁波
在這個參考系裡的速度是
光速c
。
於是，上面的問題就有了一個
等價
的提法：
麥克斯韋方程組到底在哪個參考系下成立
？
如果麥克斯韋方程組在
所有的慣性系
下都成立（即
滿足
相對性原理），那我們就可以說電磁波在
所有的慣性系
下的速度都是光速c。
如果麥克斯韋方程組只在某些
特殊的參考系
下成立（即
不滿足
相對性原理），那麼我們就只能說電磁波只在這些
特殊的參考系
下的速度是光速c。
於是，我們又進一步把“
麥克斯韋方程組到底在哪個參考系下成立？
”變成了“
麥克斯韋方程組是否滿足相對性原理？
”。
這個邏輯大家一定要理清楚，不然下面就沒法繼續了。
不過，認為
麥克斯韋方程組
滿足
相對性原理
，也就是認為“
電磁波在所有慣性系下的速度都是光速c
”太過離經叛道，也完全違反我們的直覺。
你想想，在所有參考系裡速度都一樣是個什麼概念？
假設有位列車員在
300km/h
的高鐵上以
5km/h
速度朝
車頭
走去，
火車
上的人會覺得他的速度是
5km/h
，
地面
上的人會覺得是
300+5=305km/h。
他們當然會覺得覺得列車員的速度
不一樣
，而且就差了
火車速度的300km/h
。如果你非要說
一樣
，那估計有人要建議你去看眼科了。
同樣的，如果把
列車員
換成一束
光
，我們
可能
也會覺得
火車上
和
地面上
觀察到的光速不一樣，並且認為它們之間就差了一個
300km/h
。
也就是說，從
常識
來看，我們並
不認為電磁波在所有慣性系裡都是光速c
。這等於是在說：我們並
不認為麥克斯韋方程組在所有的慣性系下都成立
，即
麥克斯韋方程組不滿足相對性原理
。
這樣的話，電磁波，或者說光就應該只在
一個參考系
裡的速度是
c
，在其它參考系裡的速度就是
c
加上它們的相對速度。
那麼，
光在哪個參考系裡的速度是c呢？
火車系？地球系？太陽系？都沒道理！
答案我們也知道：
以太系
。
也就是說，我們認為
光只有在以太系的速度才是c
。只有在
以太系
裡才可以用
麥克斯韋方程組
推出電磁波的速度等於光速c，在
其它參考系
裡麥克斯韋方程組是
不成立
的。
那麼，
以太
是什麼？為什麼我們要選擇
以太系
呢？
02以太
時間先回到200年前。
19世紀初，在
托馬斯·楊
和
菲涅爾
等人的努力下，光的
波動說
逐漸被人們接受。隨之而來的一個問題就是：
既然光是一種波，那光的介質是什麼
？
水波
是一種波，它的介質是
水
；
聲波
也是一種波，它在空氣中傳播時，介質就是
空氣
。這些波之所以能傳到遠處，就是因為
相鄰介質點
之間有
力
的作用，大家一個“推”一個，把波傳了出去。
既然
光
也是一種波，我們自然會覺得
光波
也應該和
水波、聲波
一樣，是依靠
相鄰介質點
的相互作用傳播到遠處的。
那麼，光的介質是什麼呢？光可以穿過遙遠的星空來到地球，那麼這種介質也應該遍佈宇宙。我們給它取個名字，就叫
以太
。
以太
似乎看不見摸不著，就像
空氣
一樣。但是，大家都知道，如果我們相對空氣運動，就能感覺到
風。
同理，如果我們相對以太運動，按理說也能感受到“
以太風
”，這就是很多實驗尋找以太的思路。
如果光的介質是遍佈宇宙的
以太
，我們自然就會覺得光的速度是相對
以太
而言的，就像
水波
的速度是相對水面那樣。
這樣導致的直接後果就是：
我們必須假定麥克斯韋方程組只有在以太系中才成立
。
因為只有這樣，我們才能
只在以太系
裡推出光的速度是
c
，才能說光的速度是相對以太而言的，才不跟上面矛盾。
從這裡大家也能感覺到：當我們在談論
光
和
以太
的時候，我們其實是把
牛頓力學
的那一套搬了過來。我們希望用
以太的力學性質
來解釋
光波
，就像我們用空氣和水的
振動
來解釋
聲波
和
水波
那樣。
牛頓力學
大獲成功以後，不僅
牛頓
被封了神，
力學
也同樣獲得了至高無上的地位。
於是，科學家們開始形成了這樣的一種觀念：
力學是成功的，完美的，至高無上的，其他領域的東西只有最終在力學這裡得到了解釋，才能算是科學。我們要利用力學的世界觀和方法論去解決其他領域的各種東西
。
這種觀念，我們稱之為
力學的自然觀
，或者
機械的自然觀
（在英文裡，
力學的
和
機械的
是同義詞，都是
mechanical
）。
在
力學自然觀
的大背景下，大家試圖用
以太
這種
力學模型
來解釋
光
，解釋
電磁波
就是非常自然，而且非常合理的一件事了。
只是大家後來發現這樣做有許多困難，才開始
逐漸放棄用力學去解釋電磁學，轉而認為電磁理論也是跟力學一樣基本的東西
。
也有走得更極端的，他們試圖反過來
用電磁理論去解釋力學
，也就是把
電磁理論
看成更基本的東西。這種觀念叫
電磁自然觀
，此乃後話。
總之，相信大家瞭解了這些以後，就不會對
以太
的出現感到突兀了，甚至會覺得非常自然。因為無論是從
波動說
，還是從
力學自然觀
的角度，認為光的傳播需要一種
介質
都是理所當然的事情。而
以太
，只不過是它的
名字
而已。
有了“
光是藉助以太這種介質來傳播
”的觀念以後，我們就可以根據光的傳播情況來反推以太的一些性質。
比如，光能從遙遠的星系穿過太空來到地球，那
太空中
就應該充滿了以太；光在以太中衰減很少，天體可以毫無阻力地穿過它，那以太就應該非常
稀薄
；因為光是
橫波
，那這肯定又對
以太
有某種限制……
當然，只有這些肯定是不夠的，於是人們就設計了
各種
以太相關的實驗（絕非只有
邁克爾遜-莫雷實驗
一個），以求進一步瞭解以太。
愛因斯坦
在大學期間也設計了相關實驗，不過因為沒有得到學校的支援而作罷。
這篇文章的主題是
狹義相對論的誕生
，我不可能把所有的
以太實驗
都列出來，那夠寫一本書了。這裡只介紹幾個跟
愛因斯坦
創立
狹義相對論
關係比較大的實驗。
03光行差
第一個
重要的實驗叫
光行差
。
光行差
的原理很簡單，大家在下雨的時候都有這樣的經驗：如果我站在雨地裡
不動
，就會感覺雨滴是從
頭頂正上方
落下來的（無風條件）；如果往前跑，就會感覺雨滴是從
前方傾斜
地落到身上的，這其實就是一種“
雨行差
”。
而且，不難想象，跑得
越快
，就會覺得雨滴
傾斜
得越厲害。雨速一定時，我奔跑的
速度
和雨滴的
傾斜角
之間，肯定有某種關係。
類似的，遙遠的星光（可近似看作
平行光
）到達地球時，如果地球
不動
，我只要把望遠鏡對著星星的方向就能看到這顆星星了。
但是，如果地球在
運動
（以大約
30km/s
的速度圍著太陽公轉），跟雨中奔跑時覺得雨滴傾斜了類似，我們也會覺得
恆星發出的光線也傾斜了一定角度
，這就是
光行差
。
為了尋找光行差，英國天文學家
布拉德雷
從1725年到1726年進行了持續的觀測，發現地球的
公轉
會產生大約
20.5角秒
（1度=60角分=3600角秒）的
傾斜角
。然後，透過簡單的三角計算，
布拉德雷
就得出光速大約是
30萬km/s
，這是早期比較準確的光速值了。
具體的實驗和計算細節我這裡就不說了，但是下面
三個
事情，大家一定要清楚：
第一
，根據
波動說
，光在
以太
中傳播。我們能觀測到
光行差
，就說明
地球
和
以太
之間一定有
相對運動
。
為什麼呢？你想啊，正是因為地球和以太之間存在相對運動，你才能感受到來自前方的
以太風
。
布拉德雷
之所以能觀測到光行差的
傾斜角
，就是這種
以太風
把光線“吹彎了”。如果地球和以太
相對靜止
，沒有
以太風
，那頭頂正上方的光線就會像無風時的雨滴一樣垂直下落，這樣肯定就看不到光行差了。
第二
，不難想象（透過簡單的
三角關係
），
光行差
的這個傾斜角是跟
地球速度v
和
光速c
的
比值v/c
直接相關的。也就是說，這個實驗只能精確到
v/c一階量級
（只出現v和c的
一次方
），並沒有出現
v²/c²二階量
或者更高次項。
第三
，因為
光行差
實驗只能精確到
v/c一階
，所以，我們雖然能猜測地球和以太之間有
相對運動
，但
並不能精確地測出這個速度到底是多少。
具體原因我們後面會談。
好，知道
光行差
要求地球和以太之間有
相對運動
，並且它只精確到
v/c一階
，無法測出這個相對運動的
具體速度
，
第一個
實驗就可以翻篇了。
04阿拉果的實驗
光行差
是個純粹的天文觀測，它只涉及以太在
真空（空氣）
中的情況，資訊量有限。法國天文學家
阿拉果
加了一塊玻璃，希望利用光在
不同介質
中的
折射
來獲取更多的資訊。
阿拉果
這個實驗的原理有點繞，大家要仔細理一理（理不清關係也不大，知道最後的結論就行了）。
你想啊，如果地面上有一塊
玻璃
，那
以太
自然也會從玻璃中流過。那麼，如果有
一束光從空氣射入玻璃
，你覺得會發生什麼？
光在
以太
中運動，以太在
玻璃
中流動，那麼，
光在玻璃中的速度
就應該是這兩個速度的疊加。而速度又是一個
向量
，不僅有大小，還有
方向
，所以
光在玻璃中的速度
就還跟這兩個速度的
夾角
有關。
這就好比往河裡扔一個皮球，如果
順著
河水仍，皮球的速度是最大的；
垂直
河水仍，皮球的速度會稍微小一點；
逆著
河水扔，皮球的速度就是最小的。
很明顯，即便我扔皮球的速度
大小一樣
，但只要
方向
不同，最終皮球的速度還是會不一樣。同理，光從不同方向射入流著以太的玻璃，最後的速度也應該不一樣。
於是，
阿拉果
就轉動望遠鏡，讓光線從
不同角度
進入玻璃。試圖透過改變光在玻璃中的
速度，
進而改變光在玻璃中的
折射率
，然後透過
折射定律
觀察到這種變化。
考慮到有些
中小學生
還不知道
折射率
和
折射定律
，我這裡非常簡單的說一下。
光從
一種介質
進入
另一種介質
時會發生
折射
。如下圖，小魚身上的光線其實是走
折線
進入我們的眼睛的，你順著視線的方向是抓不到魚的，這就是一個典型的
折射現象
。水杯中的筷子好像折斷了，也是因為光從水進入空氣時發生了
折射
。
折射的程度跟這兩種介質的折射率有關，而介質的
折射率
，就是光在
真空中的速度
與
介質中速度
的
比值
。
比如，水的折射率是
1.33
，就是說光在真空中的速度是水中速度的
1.33倍。
一般我們認為光在空氣中的速度就等於真空光速，也就是近似認為空氣的折射率等於
1。
光線發生折射時，它的
入射角α1
和
折射角α2
的
正弦值
與這兩種介質的
折射率n1、n2
之間有一個簡單的比例關係，這就是大名鼎鼎的
折射定律
：
n1sinθ1=n2sinθ2。
於是，當光線從不同方向射入玻璃時，光在玻璃中的速度和
折射率
都會發生變化，
入射角
和
折射角
之間的關係也會發生改變，而這是可以直接觀察到的。
但實驗結果卻讓
阿拉果
大為迷惑，因為他發現
無論光從哪個方向進來，他都觀察不到玻璃的折射率有任何變化
。
也就是說，我們改變入射光的方向時，
光在玻璃中的速度好像並沒有改變
，這跟說好的不一樣啊！
為什麼？
阿拉果
百思不得其解，於是，他選擇求助場外觀眾。他於
1818年
給波動說大佬
菲涅爾
打了個電話，不，是寫了封信。
05部分曳引假說
大佬就是大佬，
菲涅爾
收到阿拉果的來信之後，很快就想到了一個解決辦法。
菲涅爾想，
不同方向的光線進入玻璃後的速度應該是不一樣的，既然我們現在觀測不到這種不一樣，那就肯定是還有某種機制把它抵消了
。
於是，
菲涅爾
就提出了一種
假說
，他說為什麼我們觀測不到這種不一樣呢？
是因為
玻璃
在以太中運動的時候，它無法做到“以太叢中過，片葉不沾身”。它要拖著
部分以太
跟它一起運動，然後
被拖曳的這部分以太剛好就跟上面那個效應抵消了
，於是我們就觀測不到任何不一樣了。
那麼，玻璃能拖動多少以太呢？
菲涅爾
說這個比例跟介質的
折射率
有關。你的
折射率越大，拖曳的以太就越多，折射率越小，拖曳的以太就越少，具體的曳引係數
是
1-1/n²
（
n
是介質的
折射率
）。
這就是菲涅爾的
部分曳引假說
，似乎很有道理的樣子。
利用
部分曳引假說
，菲涅爾很好地解釋了
阿拉果
的實驗。
因為地面的空氣並不會拖曳以太（折射率約為
1
，曳引係數等於
0
），地球本身又是極為多孔的物質，以太可以暢通無阻地流過。所以，地球和以太之間還是
有相對運動
，這跟
光行差
也不矛盾，完美！
不過，
菲涅爾
的
部分曳引假說
一開始並未受到人們的重視。
1851年
，
斐索
做了一個著名的
流水實驗
，實驗結果跟
部分曳引假說
的預言極為接近。於是，人們對
菲涅爾
的假說信心大增。
06
斐索
流水實驗
流水實驗的原理非常簡單，
菲涅爾
不是說
透明介質
會部分拖曳以太麼？那麼，我讓一束光
順著
水流的方向走，另一束光
逆著
水流的方向走，它們走完水管的
時間
就應該
不一樣
。
當然，光速這麼快，想直接測量
順水
和
逆水
的時間差是不可能的，
斐索
就巧妙地利用了
光的干涉
。
因為光是一種波，把兩束一樣的光疊加在一起，那肯定是波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加。現在它們經過水管的時間
不一樣
，再次相遇時波峰和波谷肯定就對不上了，這樣它們的
干涉圖案
就會發生變化。
具體細節我就不說了，大家只要知道實驗結果跟
菲涅爾
理論計算的結果
極為接近
就行了。如果大家感興趣，我後面可以在
公眾號
裡單獨寫文章談談這個實驗。
總之，
斐索流水實驗
在很高的精度內證明了
部分曳引假說
的有效性。後來，
霍克
又用更嚴密的實驗做了進一步驗證。一時間，
菲涅爾
的理論風頭無二。
07一階光學實驗
此外，
菲涅爾
還從
部分曳引假說
證明了一個
更強的
結論：
像光行差和阿拉果這種只精確到v/c一階的實驗，無論你怎麼做，光學現象都不會受到地球相對以太運動的影響
。
什麼意思？
我們知道，
菲涅爾
提出
部分曳引假說
，就是為了解釋阿拉果的實驗。
阿拉果
認為如果
地球
相對
以太
有運動，我們就可以透過改變入射光的方向改變
光在玻璃中的速度
，進而改變玻璃的
折射率
。
但是我們沒有發現
折射率
有任何變化，這就意味著這個實驗沒能觀測到
地球相對以太的運動
。
為什麼觀測不到？有兩種解釋：
第一，它們之間真的沒有相對運動；第二，它們之間有相對運動，但是因為某種原因我們觀測不到
。
菲涅爾
選的是
第二種
。
在部分曳引假說裡，以太是
靜止的
，地球相對以太肯定有運動，這樣才能解釋
光行差
。
在
阿拉果
的實驗裡，因為以太被玻璃
部分拖曳
，這個效果剛好和地球相對以太運動的效應抵消，所以我們就觀測不到折射率的變化了。
這就好比在
跑步機
上跑步，你覺得自己在往前跑，但別人覺得你
沒動
。你向前奔跑的速度剛好和跑步機拖曳的速度抵消了，所以別人就觀測不到這種
相對運動
帶來的變化了。
然後，
菲涅爾
進一步說，不僅
阿拉果
的實驗觀測不到地球相對以太的運動，任何
v/c一階實驗
（實驗結果只跟
地球速度v
與
光速c
的比值
v/c
相關）
都觀測不到地球相對以太的運動
，這是
部分曳引假說
的一個必然結果。
那麼，菲涅爾的預言到底對不對呢？隨著時間的推移，大家對這個事情的關注度也越來越高。
1873年
，
巴黎科學院
舉辦了一場名為“
光源和觀察者的運動對光的傳播方式和性質所產生的變化
”的大獎賽，最後
馬斯卡特
贏得了大獎。
馬斯卡特
做了各種各樣的一階光學實驗（比如光的反射、折射、衍射等），也重做了一些之前的實驗。結果是，他
沒有觀察到地球相對以太的運動給這些實驗帶來了任何影響
。
總之，最起碼到了19世紀70年代，人們已經達成了一項
共識
：
精確到v/c一階的光學實驗不會受到地球相對以太運動的影響
。
愛因斯坦
在
狹義相對論
論文的
第二段
也專門提到了這個事，大家一定要注意
一階
這個定語。
08一階相對性原理
好，到這裡，
光行差
、
阿拉果
、
斐索流水
三個跟以太相關的
一階實驗
就講完了。為什麼要挑這三個實驗呢？
因為
愛因斯坦
在1950年與
香克蘭
教授談話時，說對他影響最大的
實驗
就是
光行差
和
斐索流水實驗
，並且強調“
它們已經足夠了
”。
我這裡加一個
阿拉果
的實驗，主要就是為了自然地引出
菲涅爾
的
部分曳引假說
。
那麼，從這幾個
早期的
以太實驗裡我們能知道些什麼呢？
愛因斯坦
又知道了什麼，為什麼他說這些就夠了？
從上面的分析，以及我的多次強調，相信大家已經知道這幾個實驗都是
一階光學實驗
，並且
菲涅爾
的理論能很好地解釋它們了。
然後，不管是從
部分曳引假說
還是從
實驗
出發，精確到v/c一階的光學實驗不會受到地球相對以太運動的影響，知道這些就夠了。
大家再來想一想，“
一階光學實驗不會受到地球相對以太運動的影響
”是什麼意思？這句話你再多看幾遍，你品，你細品。
不會受到地球相對以太運動的影響，就是說地球相對以太靜止也好，運動也罷，我們的
一階光學實驗
該咋做還咋做。不論你處在與以太相對
靜止
的參考系，還是處在相對以太
勻速運動
的參考系，
一階光學實驗
完全感知不到，無法區分。
這就是說，
我們無法透過一階光學實驗區分一個參考系是相對以太靜止，還是相對以太做勻速直線運動
。換成了這種句式，相信起碼看了
上一篇文章
的人立馬就能明白是什麼意思了。
對，它意味著：
一階光學實驗滿足相對性原理
！
繞了一大圈，我們終於又繞回到問題的核心，也就是
電磁現象是否滿足相對性原理
來了。而這些實驗則明明確確地告訴愛因斯坦：
最起碼在v/c一階精度下，電磁現象是滿足相對性原理的，這個我們可以打包票。至於在v²/c²二階甚至更高階的精度下，電磁現象是否還滿足相對性原理，這個現在不敢說
。
而
愛因斯坦
說
光行差
和
斐索流水
就夠了，意思是你們這些
以太實驗
能給到
一階精度
的支援就足夠了，就已經圓滿完成了本次任務。我還有另外三路大軍，原本也沒怎麼指望你們這一路。
上一篇文章
已經講了，
愛因斯坦
主要是從協調
牛頓力學
和
麥克斯韋電磁理論
的角度來創立
狹義相對論
的。而它們的核心矛盾就出在
相對性原理
上：
牛頓力學配合伽利略變換，非常完美地滿足了相對性原理；麥克斯韋電磁理論不具有伽利略協變性，那它還滿足相對性原理麼
？
大家要記住這才是我們的核心問題，我這兩篇文章的所有內容都是圍著它轉的。所以，我們從
以太實驗
又繞回到了
相對性原理
這裡，這是非常自然而且必須的。
09邁克爾遜-莫雷實驗
好，
愛因斯坦
還有其它三路大軍，他覺得以太實驗能給到
一階精度
的支援就
足夠了
。但其他物理學家沒這麼壕啊，很多人別說另外三路，另外一路都沒有，就指著
以太實驗
吃飯呢。
所以，對他們來說，一階精度上的支援是
遠遠不夠的
。那怎麼辦呢？
一階
精度不夠，那就去做
二階精度
的實驗唄，反正閒著也是閒著，催一催實驗物理學家也不礙事。
但是二階實驗難做啊！你想想為什麼大家做了這麼多
一階光學實驗
，卻沒有人去做
二階光學實驗
？你以為是實驗物理學家沒收到催更麼？
主要還是
太難了
，為什麼難我給你分析一下。
要精確到
v²/c²二階
，
地球公轉速度v
（
30km/s
）大約是
光速c
（
30萬km/s
）的
萬分之一
，再平方一下，
v²/c²
就是
億分之一
。也就是說，如果你想做一個精確到
v²/c二階
的光學實驗，你的實驗精度得高達
億分之一
才行。
這在當時
非常困難
的。
麥克斯韋
在
1879年3月19日
（此時
愛因斯坦
已出生
5天
）給美國航海曆書局的
託德
寫信時都還認為
這個精度的效應在地面上是無法被探測到的
。
然而，天才實驗物理學家
邁克爾遜
認為麥克斯韋低估了地面實驗所能達到的精度。於是，他在
1881年
做了一次實驗，在
1887年
又跟
莫雷
做了一次說服力更強的實驗，這就是大名鼎鼎的
邁克爾遜-莫雷實驗
。
然後，
邁克爾遜
就捧走了
1907年
的
諾貝爾物理學獎
，這也是美國人
第一次
獲得諾貝爾物理學獎。
有些人可能有疑問：
你不是說愛因斯坦有光行差和斐索流水實驗就夠了麼，那為什麼還要講邁克爾遜-莫雷實驗？
這個原因嘛，雖說
愛因斯坦
有那些
一階光學實驗
就夠了，
邁克爾遜-莫雷實驗
對他創立狹義相對論
並沒有
什麼
直接
的影響。
但是，這個實驗對其他物理學家影響非常大啊，比如
洛倫茲
。
洛倫茲
為了給
邁克爾遜-莫雷實驗
一個合理的解釋，苦思冥想，埋頭苦幹，最終在
1895年
（注意這個時間）發表了一篇名為《
關於動體電現象和光現象的理論研究
》，長達
137頁
的專題論文。他在這篇論文裡引入了
長度收縮假設
、
地方時
的概念，證明了
對應態定理
，從而解釋了邁克爾遜-莫雷實驗。
而
洛倫茲
對
電動力學
的研究，特別是1895年的這篇論文，對
愛因斯坦
創立
狹義相對論
有很大的影響。
所以說，
邁克爾遜-莫雷實驗
雖然對愛因斯坦沒有什麼
直接
的影響，但卻有這種
間接
的影響。
所以，我們想要搞明白
洛倫茲
是如何影響
愛因斯坦
的，就得先搞清楚
邁克爾遜-莫雷實驗
是怎麼回事。而且，許多人對這個實驗，對它與狹義相對論的關係都存在非常大的誤解，這裡澄清一下也好。
另外，我前面說了那麼多
一階
光學實驗，難道你們就不想看看
二階
光學實驗是什麼樣的？
邁克爾遜-莫雷實驗
就是一個設計得極為漂亮的
二階光學實驗
。
10為什麼是二階？
這裡我稍微解釋下為什麼
邁克爾遜-莫雷實驗
是
二階
的。
部分曳引假說
認為以太可以被透明介質部分拖曳，在真空這種沒有介質的地方就應該是
靜止的
。那麼，地球在靜止以太中穿梭，我們要如何測量這個速度呢？
想法很簡單：如果地球在以太中穿梭，我們就應該能感覺到
以太風
。
我往有風的地方發射一束光，沒風的方向發射一束光，對比一下就能知道風速了
，也就是地球相對以太的運動速度。
假設
以太
相對地球以
速度v向右
運動，我
向右
發射一束光，光速就是
c+v
；反射回來
向左
運動時，速度就變成了
c-v
。
與此同時，如果在
沒有以太風
的地方發射一束光，它的速度就一直都是
c
。
整個過程就像在河裡做往返划船比賽：一組先順流而下，再逆流而上，另一組在平靜的河面上往返，看哪一組更快。這裡
河水
就像是
以太
，在水面運動的船就好比在以太中運動的光。
我們假設單程距離為
l
，那麼光
順著以太
運動的時間為
l/c+v
，
逆著以太
運動的時間為
l/c-v
，總時間
t=(l/c+v)+ (l/c-v)。
在
沒有以太風
的地方，光往返的速度都是
c
，總距離為
2l
，所以總時間
t’=2l/c
。
這兩種情況的時間差我們記為
Δt=t-t’
，它佔
整個傳播時間
的
比值
就可以這樣算：
可以看到，當地球的公轉速度
v
遠小於光速
c
時，這個比值就近似等於
v²/c²。
所以，這是一個不折不扣的
v²/c²二階
光學實驗。
這個思路非常簡單，它難就難在如何探測這麼微小的差別，
邁克爾遜
厲害就厲害在發明了一種精度如此之高的
干涉儀
。
邁克爾遜-莫雷實驗
的原理跟它基本相同，唯一的區別就是我們找不到沒有以太風的地方。
所以，
邁克爾遜
和
莫雷
讓一束光與以太風
平行
，另一束跟它
垂直
，垂直的這束光要考慮與
以太風速度
的
疊加
。
他們這樣做了一次，把儀器
旋轉90度
之後又做了一次。按理來說，旋轉之後
平行和垂直互換
，光線運動的時間也會改變，這樣產生的
干涉條紋
肯定也跟原來的不一樣。
但實驗結果又讓人大跌眼鏡：
旋轉90度以後，干涉條紋沒有發生任何變化。就像壓根就沒有以太風，平行和垂直沒有任何區別似的
。
也就是說，我們認為光在
平行
和
垂直
以太風方向上的運動時間應該不一樣，而且還算出了這個
時間差
大約佔總時間的
億分之一
。但是，
邁克爾遜-莫雷實驗
告訴你：
沒有的事，不管光朝哪個方向跑，它們的傳播時間好像都一樣。根本就沒有什麼以太風，順風、逆風、垂直風都是沒邊的事
！
科學家們一下子就懵了。
11實驗的結論
在這裡，我希望大家忘掉一切關於
邁克爾遜-莫雷實驗
和
以太
的先入為主的觀念，忘掉你在書裡、文章裡或在其它任何渠道看到的結論。我們就站在這個
歷史節點
，面對這樣一個實驗結果，你覺得我們可以作出哪些
合理的
判斷？
首先，我們能從這個實驗結果得出“
以太不存在
”這麼大的一個結論麼？
不能
！因為完全沒道理啊。
你想，我們現在是在驗證
部分曳引假說
在真空中的情況。
菲涅爾
認為以太在真空中是
靜止的
，所以，我們在靜止以太中穿梭時會感覺到
以太風
，然後才有順以太、逆以太、靜止以太在運動
時間上的不同
。
然後，
邁克爾遜-莫雷實驗
告訴我們這兩個時間是一樣的，我們可以據此說
以太風
不存在。但是，
以太風不存在
和
以太不存在
這絕對絕對是兩碼事啊！
我們都知道風就是空氣的流動。那麼，
你會根據一個地方沒有風就說這裡的空氣不存在麼
？
自己都覺得很荒謬是不是？高鐵在鐵軌上飛奔，但車廂裡並沒有風，我們能因此就說高鐵裡沒有空氣麼？同理，
為什麼我們要根據邁克爾遜-莫雷實驗的零結果就判斷以太不存在呢
？
我們做任何判斷都要
合乎邏輯
，我們不能因為後來
狹義相對論
不需要以太，你就直接偷懶說邁克爾遜-莫雷實驗“證明了”以太不存在。否則，
科學的嚴謹和嚴密何以立足
？
那麼，根據
邁克爾遜-莫雷實驗
的零結果，我們最容易、最自然想到的結論是什麼呢？
我不知道你是怎麼想的，反正我覺得就像
高鐵裡感覺不到風
一樣。我們在地面觀測不到以太風，最合理的猜測就是
地球會拖著附近的以太跟著它一起運動
，就像粘性流體那樣。
這樣，地球和地面附近的以太就會保持相對靜止，所以就觀測不到
以太風
了。這就是流體力學大佬
斯托克斯
的
完全曳引假說
。
以太
在當時的感知是極強的，認為光的傳播需要一種介質的想法合情合理，各種實驗也能用基於
以太
的
部分曳引假說
得到很好的解釋。
在這種環境下，你覺得物理學家們會因為
觀測不到以太風
就直接把以太這個根基給丟了麼？那也太暴躁了吧！
愛因斯坦
確實拋棄了以太，但絕不是因為這個實驗。
邁克爾遜
和
莫雷
做了這個實驗以後，也只是轉向了
斯托克斯
的
完全曳引假說
。也就是說，他們也認為沒觀測到以太風，是因為地球
完全拖曳
了以太，導致它們相對靜止，而不是說以太不存在。
當然，
完全曳引假說
後來又被其它實驗否決了，那是後話，我們這裡不細談。
邁克爾遜-莫雷實驗
讓物理學家們大為震驚。本來，
菲涅爾
的
部分曳引假說
跟許多
一階實驗
都符合得非常好，人們也慢慢傾向於認為以太在透明介質中會被部分拖曳，在真空中應該是
完全靜止
的，這樣
地球
跟
以太
之間就應該有
相對運動
。
現在
邁克爾遜-莫雷實驗
跑過來說沒有相對運動，地球和附近的以太應該是
相對靜止
的，這就直接跟
部分曳引假說
發生了衝突。
完全曳引假說
雖然能解釋這個實驗，但跟其它實驗又發生了衝突，你讓我們怎麼辦？
當然，在物理學裡，
危機就是轉機
。物理學家們從來不懼怕問題，相反，如果所有的問題都被解決了，那他們就要失業了。
針對
邁克爾遜-莫雷實驗
這個匪夷所思的結果，物理學家們進行了大量的思考，做的最好的是
洛倫茲
。
12洛倫茲和電子論
提到
洛倫茲
，很多人的第一反應就是高中學的
洛倫茲力
，也就是
運動電荷在磁場中受到的力
。這是一個非常基本的概念，所以，可以猜測
洛倫茲
在
電動力學
裡應該非常重要，雖然這很容易被忽視。
提到
經典電動力學
，很多人的腦袋裡只有
麥克斯韋
。但是你想啊，
麥克斯韋方程組
使用的都是諸如
電通量
、
磁通量
、
散度
、
旋度
這樣的概念，而我們高中學習電磁學用的都是
電子移動產生電流，電子在電場中受到電場力，運動電子在磁場中受到洛倫茲力
等這樣的概念。
那麼，用
電子
這種
微觀粒子
來解釋電磁現象是誰最先提出來的呢？當然，話都說到這裡來了，你們十有八九會猜是
洛倫茲
乾的。
沒錯，就是他乾的。
也就是說，
洛倫茲
對麥克斯韋的電磁理論做了一種
微觀
上的解釋。
他認為
電
是由微小粒子組成的，
電磁世界的各種現象現象都跟這種微小粒子的運動有關
。這種微小粒子就是我們後來說的
電子
，洛倫茲的這套理論就叫
電子論
。
電子論
是電動力學的一次重大進步，
洛倫茲
也因此獲得了
第二屆
（1902年）諾貝爾物理學獎，雖然大家都只記得
倫琴
因為
x射線
獲得了第一屆。
1953年，
愛因斯坦
在
洛倫茲
的百年誕辰上這樣說道：
我們這個時代的物理學家，多半沒有充分了解到洛倫茲在理論物理基本概念的發展中起到的決定性作用。造成這種怪事的原因，是洛倫茲的基本觀念已經深深地變成了他們自己的觀念，以至於他們簡直無法體會到這些觀念是多麼大膽，以及它們使物理學的基礎簡化到什麼程度
。
既然洛倫茲如此鍾愛
電子論
，那他自然也希望能從
電子論
的角度給這些
以太實驗
一個合理的解釋，而他確實也做到了。
他從
電磁理論
匯出了菲涅爾的
部分曳引係數
（這就意味著可以解釋那些一
階光學實驗
），經過長時間的思考，他又想出了一個可以解釋
邁克爾遜-莫雷實驗
的辦法。這些內容最終彙集在
1895年
這篇名為《
關於動體電現象和光現象的理論研究
》，長達137頁的專題論文上，而
愛因斯坦
對這篇論文非常熟悉。
更加重要的是：
洛倫茲的這套理論不僅在以太系中成立，在相對以太做勻速直線運動的參考系中也成立，雖然只是針對v/c一階情況
。
當然，在
洛倫茲
眼裡，他只是用了一些數學技巧把
運動參考系
的現象轉化到
絕對靜止的以太參考系
裡來處理。但
愛因斯坦
眼裡，這妥妥的就是
電磁理論在v/c一階情況下滿足相對性原理
的絕佳證明啊。
洛倫茲
原本計劃按照菲涅爾的思路來，假定以太會以
菲涅爾曳引係數
被物體拖動。但後來他發現沒這個必要，利用
極化
，在
靜止以太
下就可以解釋觀測到的現象。
而且，洛倫茲還把
以太
和
有質量的物質
做了嚴格的區分，並拒絕對以太的
力學性質
再做任何假設。
這就有意思了，你們看看集萬千寵愛於一身的
以太
，到洛倫茲這裡變成啥了：它是完全
靜止
的，沒有任何力學性質，還跟其它有質量物質不一樣，以太在這裡完完全全變成了一個啥也不幹的
純背景牆
。
愛因斯坦
後來詼諧地說：“
洛倫茲留給以太的唯一力學性質就是不動性。狹義相對論帶給以太概念的全部變革，就是取消了以太最後的這個力學性質，即不動性。
”
大家可以看到，以前人們認為
以太
之於光波，大致就類似水之於水波，空氣之於聲波，都認為是
相鄰介質點之間的力學作用形成了波
。
但是，
洛倫茲
從
電子論
出發，把以太的力學性質都給剝奪了，讓以太變成了一個純背景牆，這變化是非常大的。
13長度收縮假說
那麼，
洛倫茲
又是如何利用這套理論解釋
邁克爾遜-莫雷實驗
的呢？
洛倫茲
的思路跟
菲涅爾
類似，也是一種
補償法
。如何補償？
按理說，光先順著以太風再逆著以太風運動，比來回都沒有以太風要稍微
慢一點
。既然慢了一點，那我們就應該能把這個時間測出來，但是
邁克爾遜-莫雷實驗
說根本測不出這個時間，怎麼回事？
那
洛倫茲
就說，在沿著以太風的方向上，
光的總速度變小了，時間沒變，那就只能是運動的總距離減小了
，這樣才能對上號嘛。
就像兩個人賽跑，一個跑得快一個跑得慢，但他們卻
同時
到達了終點。這就說明
他們跑的距離不一樣
，速度快的多跑了一點，速度慢的少跑了一點，如此才能同到達。
現在這兩束光也是，它們運動的時間一樣，但是
沿著以太風
方向的光的速度要
慢一些
，那就只能認為這個方向上的光運動的距離要
小一些
。
具體到
邁克爾遜-莫雷實驗
，就是沿著以太風方向的干涉儀的長度會變短，這就是
洛倫茲
的
長度收縮假說
。
洛倫茲認為這並非不可能，只要我們認為
儀器分子間的作用力也會受以太影響
，那麼以太運動時，分子間的距離是有可能減少的。利用
長度收縮假說
，洛倫茲解釋了
邁克爾遜-莫雷實驗
。
同時，我們也要清楚：
洛倫茲
認為長度收縮是一種
動力學性質
，他認為物體分子間的距離是真真實實地發生了收縮；而
狹義相對論
裡的
尺縮效應
則是一種純粹的
運動學效應
，並沒有什麼力把物體壓縮了。
此外，
洛倫茲
還引入了一個叫
地方時
（local time）的概念，證明了
對應態定理
（後面再細說），從而讓他的理論在
v/c一階
下是滿足
相對性原理
的。
雖然他自己從未提過
相對性原理
，只是把這些當作一種數學技巧。也不認為
地方時
在物理上有任何意義，但這對
愛因斯坦
的啟發是非常大的。
最起碼，光行差、斐索流水等只是從實驗上讓人覺得電磁現象在
v/c一階
上是應該滿足
相對性原理
的，而
洛倫茲
在
1895年
的論文則讓你直接看到了一個在
v/c一階
滿足
相對性原理
的
電磁理論
，這給人的感覺和信心是完全不一樣的。
我之所以反覆強調
1895年
這個時間點，是因為
這是愛因斯坦在發表狹義相對論論文（1905年）之前所知道的洛倫茲的最新工作
，洛倫茲在1895年之後的工作愛因斯坦通通不知道，包括
1904年
大名鼎鼎的
洛倫茲變換
。
當時並沒有網際網路，資訊傳遞不發達，愛因斯坦又是一個遠離學術中心的瑞士專利局小職員。而洛倫茲又在荷蘭，所以這些都是很正常的。
但是，愛因斯坦畢竟是愛因斯坦，雖然洛倫茲的理論對他啟發很大，但他也只是批判性的接受。比如他就非常反對
洛倫茲
理論裡的
以太
，即便以太在這裡只是一個可憐兮兮的純背景牆，
愛因斯坦
還是毫不猶豫地把背景連牆都給扔了。
在這裡，我們看到了
洛倫茲
和
愛因斯坦
的核心分歧：
洛倫茲的內心深處是需要這樣一個絕對的以太的，只有以太系的時間才是真正的絕對時間，這樣整個框架就還是牛頓式的。而洛倫茲也看到了在牛頓力學框架內解決這些問題的希望
。
所以，
愛因斯坦
提出了狹義相對論之後，
洛倫茲
一方面對愛因斯坦的工作大加讚賞，另一方面卻
依然堅持自己的以太
，這是很多人難以理解的。
在狹義相對論之前堅持以太就算了，怎麼狹義相對論都出來了，你還堅持以太？
在
洛倫茲
看來，像愛因斯坦那樣拋棄以太，或者像自己這樣堅持幾乎已經沒有任何力學性質的以太，透過一些數學手段把其
它參考系的問題轉化到以太系來處理
，只是
個人喜好問題
。
因為從來就沒有人規定描述一種物理現象只能有一種理論，我們可以從不同的角度得到不同的理論。至於如何從中選擇，除了一些公認的標準外，個人的喜好確實也是一種重要的因素。
洛倫茲
放不下牛頓的
絕對時空觀
，
愛因斯坦
則堅信
不存在絕對空間和絕對運動
。這讓兩人採用了完全不同的研究綱領，因而得到了不同的理論。
“
不存在絕對運動
”是一種根植於
愛因斯坦
靈魂深處的信念，所以他拒絕接受洛倫茲這種
絕對靜止
的
以太
。這是愛因斯坦和其他物理學家
最大的不同
，也是理解愛因斯坦創立
狹義相對論
的關鍵。
那麼，我們不禁要問：
為什麼愛因斯坦會如此堅信“不存在絕對運動”呢？如果這個事情這麼重要，為什麼其他物理學家不這樣想呢
？
14牛頓與水桶實驗
要理解這個事，我們需要先理解
為什麼之前大家基本上都認為存在絕對運動
？這個問題倒是很好回答：因為祖師爺
牛頓就是這麼想的
。
牛頓
是什麼段位什麼影響，不用我多說。他在出版了《
自然哲學的數學原理
》之後，基本上就是物理學家心中的
神
了。既然是神，那麼自然就是神說什麼，大家就跟什麼，而牛頓認為存在
絕對空間
、
絕對運動
。
牛頓
在《
原理
》中寫道：
絕對空間，其自身特性與一切外在事物無關，處處均勻，永不移動
。物體從
絕對空間
的一處移動到另一處，就是所謂的
絕對運動
。
我坐在家裡
沒動
，那是相對
地面
沒動，由於地球要圍著太陽公轉，所以我相對太陽是運動的。同樣，即便我相對
太陽靜止
，我相對
銀河系
仍然是
運動的
。
這個邏輯似乎可以
無限
重複下去，我們似乎永遠沒有辦法說自己是
絕對靜止
的。但牛頓說有辦法：你只要相對
絕對空間
靜止，你就是絕對的靜止；相對
絕對空間
存在運動，就是
絕對的運動
。
絕對空間
和
絕對運動
（類似的還有
絕對時間
）在牛頓的力學體系裡非常重要。缺少它們，很多東西就無法
自洽
，牛頓就無法自圓其說。
因為非常重要，所以牛頓還精心設計了一個實驗來“證明”
絕對空間
和
絕對運動
的存在，這就是大名鼎鼎的
牛頓水桶實驗
。
實驗步驟非常簡單：
在一個桶裡裝點水，然後旋轉水桶，就完了。
再來看看實驗現象：
水一開始是靜止的，在旋轉木桶的帶動下慢慢旋轉。最後，水跟桶會保持相同的旋轉速度
，
水面也會凹下去一點點
。
那麼，
牛頓
想透過這個實驗說明什麼呢？一個如此稀鬆平常的現象，怎麼就能證明
絕對空間
的存在呢？
牛頓說，你看啊，一開始水和桶都是
靜止
的，它們之間
沒有相對運動
，此時水面是
平
的（
狀態一
）。到最後，水和桶都在
運動
，但是它們之間還是
沒有相對運動
（水和桶的轉速一樣），但是水面卻是
凹
的（
狀態二
）。
為什麼一個水面是平的，另一個卻是凹的呢
？
有人說這簡單，
狀態一
裡水和桶
沒有轉動
，所以水面是
平
的；
狀態二
裡水和桶
有轉動
，所以水面是
凹
的。
但問題是，在狀態二里，水和桶之間明明也是
相對靜止
的（以相同的速度旋轉），並沒有相對轉動啊。
這時有人會說，我是說
狀態二
裡的水
本身
在轉，並不是說它相對水桶在轉。正是這種
真正的轉動
讓水面凹下去了，而
狀態一
裡水和桶並沒有真正的轉動，因此水面是平的。
聽起來好像很有道理，那問題又來了：
你要如何判斷水是否在做真正的轉動呢？當水相對什麼轉動時才是真正的轉動？或者換個角度，你覺得一開始的水沒有真正的轉動，那麼，真的有東西是處在絕對的無轉動狀態麼
？
水井
裡的水是真正的無轉動麼？顯然不是，因為地球在自轉，會帶著水井裡的水一起轉動。同理，太陽、銀河系等都不可能是真正的無轉動。
所以牛頓認為，我們必須假設一種
自身特性與一切外在事物無關，處處均勻，永不移動也永不轉動
的東西存在，這就是他在《自然哲學的數學原理》裡定義的
絕對空間
。
只有相對絕對空間無轉動，才是真正的無轉動，這時候水面才是平的；如果你相對絕對空間有轉動，即便你們之間沒有相對轉動，水面也會是凹的
。
牛頓
就這樣給了
水桶實驗
一個自洽的說明，也順帶“證明”了
絕對空間
的存在。
然後，既然存在絕對空間，那
絕對運動
就是理所當然的事情了。有了
絕對空間
，配上
伽利略變換
，牛頓力學的所有定律就可以在慣性系裡具有相同的數學形式，也就是滿足
相對性原理
，完美！
透過
水桶實驗，牛頓
試圖向大家證明：
絕對空間是存在的，相對絕對空間的運動（絕對運動）也是可以被實驗證明的
。
15馬赫與水桶實驗
然而，在很久很久以前，就有人持有一種與之
截然相反
的觀點。
比如
亞里士多德
就認為：
不存在絕對空間，空間只不過是物體的空間秩序。如果沒有物體以及物體間的相互關係，空間就根本不存在，一個“空無一物”的絕對空間是沒有任何意義的
。
話雖然很拗口，但是想表達的意思卻很簡單。比如我問你
國家圖書館
在哪？你說在
動物園
的西面。我問你在哪，你說在
公司
。
當我們在回答“某個物體在哪裡？”的時候，我們其實是在指明
這個物體的周圍有什麼東西
。
如果你處在空無一物的虛空裡，問你在哪就沒有任何意義了，空間也就失去了意義，這是一種
相對主義
的
空間觀
。但
牛頓
肯定會反對，他會說即便在空無一物的虛空裡，
絕對空間
依然是存在的。
這是兩種完全針鋒相對的觀點。
在牛頓以及牛頓之後的
兩百多年
裡，因為
牛頓力學
的巨大成功，
絕對空間
的觀點佔據著壓倒性的優勢。
雖然在
牛頓
同時代就有人（比如
萊布尼茨
和
貝克萊
）批評
絕對空間
，但他們都只能從
純哲學
的角度進行批判，無法觸及絕對空間背後的大靠山——
牛頓力學
。因此，他們的批判顯得沒有多少份量，也沒能引起物理學家的關注。
在
牛頓力學
統治世界200多年後，第一位重量級對手登場了，他的名字叫
恩斯特·馬赫
。
馬赫對
牛頓力學
和
絕對時空觀
進行了深刻而又系統的批判，這些內容都寫進了他的名著
《力學及其發展的批判歷史概論
》（又名《
力學史評
》）裡。
馬赫
是第二代
實證主義
大佬，實證主義這個詞我在其它文章裡也多次提到。
他們主張
一切科學知識必須建立在觀察和實驗的基礎之上，認為經驗是知識的唯一來源和基礎。他們旗幟鮮明的反對形而上學，認為科學是對經驗的描寫，我們不必也不應該去追問科學背後的“本質”，並且應該把那些無法觀測的概念從科學裡清除出去
。
馬赫
和當時的
實證主義
雖然有些
過分誇大經驗的作用
（這些後來也被
愛因斯坦
批評），但他們在當時的積極作用是非常明顯的，影響了一大批
相對論
和
量子力學
初創期的物理學家。
實證主義哲學
原本就是從
現代自然科學
的思想中發展起來的。哲學家們把它
系統化
之後，又反過來影響了一大批科學家，這是
科學
和
哲學
相互促進的一個典範。
因為有系統的哲學理論做後盾，
馬赫
對
牛頓力學
進行深入而又系統的批判，這裡最出名的就是馬赫對
絕對時空觀
的批判。為什麼馬赫要批判牛頓的
絕對時間
和
絕對空間
呢？
大家只要看一下
絕對空間
的定義，再想一下
實證主義
高舉的大旗，就會明白這倆不打起來才怪。
為什麼？
實證主義
主張科學知識必須建立在
觀察
和
實驗
的基礎上，要把那些
無法觀測
的概念從科學裡清除掉。
而
絕對空間
是什麼？能看到麼，能摸到麼，能被觀測到麼？
都不能
！
一個物理概念無法被任何實驗觀測到，那麼它就只有形而上學上的意義，而不具備科學上的意義
。所以，按照
實證主義
的原則，這種概念就應該被剔除掉。
當然，
牛頓
肯定會跑出來申辯，說我已經用
水桶實驗
證明了
絕對空間
和
絕對運動
的存在，你怎麼能說它們無法被觀測呢？你怎麼能憑空汙衊人的清白？
馬赫
嘿嘿一笑，心想
牛頓
終於祭出了他手裡的王牌，看我怎麼壓死他的牌。
然後馬赫就提出了一種全新的觀點來解釋水桶實驗，並且試圖向大家證明：
解釋水桶實驗根本不需要什麼絕對空間，這個實驗也無法成為絕對空間的證明
。
牛頓
對
水桶實驗
的解釋是：
如果水相對絕對空間沒有轉動，水面是平的；如果水相對絕對空間有轉動，水面是凹的
。
而
馬赫
的
實證主義
背景不允許他使用
絕對空間
這種
無法觀測
的概念。於是，他提出了一種
水桶實驗
的新解釋：
如果水相對整個宇宙背景無轉動，水面是平的；如果水相對整個宇宙背景有轉動，水面是凹的
。
咋一看有點懵，有人會說，
馬赫
這不就是把
絕對空間
換成了
整個宇宙背景
嗎，就改了一個名詞而已，其它啥也沒變啊。
是，確實就是隻改了一個名詞，但這個名詞一改，整個意義就完全不一樣了，為啥？
因為
絕對空間
是一個
無法觀測
的概念，而
整個宇宙背景
卻是我們實實在在
可以觀測
到的東西，這就是根本區別。
當馬赫把水相對整個宇宙背景是否轉動作為判斷標準時，他其實是在認為：
宇宙中所有物質與水的相互作用，決定了水面是否會凹下去
。而其它物質與水的相互作用，則完完全全屬於可觀測的物理學內容。
就這樣，
馬赫
基於
實證主義
的思想，利用全宇宙所有物質對水的相互作用代替了
絕對空間
，否定了牛頓的
絕對時空觀
。然後也得到了一個自洽的水桶實驗的解釋，這些思想後來被
愛因斯坦
總結為
馬赫原理
。
當然，口說無憑，
馬赫
也想發展一套
動力學理論
來解釋馬赫原理，但是
並不成功
。
愛因斯坦
創立
廣義相對論
之後，覺得自己建立了一套符合
馬赫原理
的理論。然後就像完成了老師夙願的學生一樣，興高采烈地拿著廣義相對論給馬赫看，以求表揚，結果卻被
馬赫
一頓批評。
不過，隨著研究的深入，大家發現
廣義相對論確實與馬赫原理並不一致
，這是後話。
16不存在絕對運動
……
下篇：《
相對論誕生：愛因斯坦是如何創立狹義相對論的？（下）
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