伽利略曾經(jīng)寫過一個生動的故事,說如果我們被關(guān)在一艘大船的船艙中,你帶上一些小飛蟲,在艙內(nèi)放上一只大水碗,里面養(yǎng)上幾條魚,再掛起一個水瓶,讓水一滴一滴地滴到下面的一個水罐中。然后你開始觀察飛蟲的飛行,觀察魚的游動,觀察水滴入灌,但是不論你多細心地觀察,你也不可能通過觀察這些情況來判斷船是靜止的還是處于勻速直線運動中(這個故事是在我們中學(xué)的物理書中被稱為薩爾維柯蒂之船)。同樣,你所有試圖用力學(xué)實驗的方法來判斷船的狀態(tài)也都是徒勞的,不管你做什么樣的力學(xué)實驗,都不可能判斷出船的狀態(tài)。
我的想法是,不僅是做力學(xué)實驗不行,你在上面做任何物理實驗,不論是光學(xué)、電學(xué)還是熱學(xué)實驗,你都無法判斷出船到底是靜止的還是正在做勻速直線運動,上帝不偏愛任何物理規(guī)律,在慣性系里面,眾生平等。
這就是我愛因斯坦的相對性原理,它比伽利略的相對性原理更簡潔、更深刻、更優(yōu)美,我很難想象它會是錯的。
根據(jù)這個原理,真空中的光速必定是恒定不變的,如若不然,那么我就可以通過做光速測量實驗來判斷薩爾維柯蒂之船到底是靜止的還是運動的。
小愛想到此節(jié),立即拿出昨天那張稿紙,在昨天寫的那句話下面又加上了一句話:“在任何慣性系中,所有的物理規(guī)律保持不變?!睂懲晁R上匆匆收拾東西回家了,再不回去,老婆又該沖他發(fā)火了。
(讀者:“你對老婆發(fā)火一事真有情結(jié),你也很怕嗎?”作者:“超級怕,理解小愛?!保?/p>
這天晚上躺在床上,愛因斯坦失眠了,對妻子的暗示也置若罔聞,他滿腦子都是草稿紙上的那兩句話。說實在的,小愛覺得物理學(xué)中蘊涵的奧秘比身邊的妻子更值得迷戀,他心底里有點后悔大學(xué)時過于沖動,干了不該干的事情,但是總該對米列娃負責(zé)吧,想起自己的婚姻,小愛總是覺得有點無奈。這些東西還是別多想了,草稿紙上的兩句話在愛因斯坦的腦袋中一遍遍地顯現(xiàn)出來:
一、在任何慣性系中,所有物理規(guī)律保持不變。
二、對于任何參考系來說,在真空中的光的傳播速度都是一個常數(shù)C。
這兩句話就像一個魔咒,在小愛的腦中揮之不去。如果說,我的思考是正確的話,這兩個假設(shè)成立,那么到底意味著什么呢?如果一個人在一列以速度V行駛的火車上,用手電筒打出一束光,那么從站臺上的人看來,這束光的速度難道不應(yīng)該是C+V嗎?但如果真的是C+V的話,明顯又和我上面寫的兩句話相抵觸,看來我要么放棄簡潔優(yōu)美的相對性原理,要么放棄我頭腦中對于速度理解的舊習(xí)。如果一只小鳥也在車廂里面以W的速度飛,從站臺上的人看來,小鳥的速度顯然應(yīng)該是V+W,對這個觀念,現(xiàn)在沒有人會否認,但是,憑什么我們對小鳥的結(jié)論也硬要安在光的頭上呢?我們對光速的認識太淺薄了,相對于光速,不論是小鳥還是火車,都低得可以忽略不計,我們生活在一個速度低得可憐的世界里面,在這個世界里總結(jié)出來的規(guī)律難道真的也可以適用于高速世界嗎?在火車上的人和站臺上的人看到的光速都仍然是C,這個結(jié)論為什么會讓我們感到奇怪,還是我們一相情愿地把我們在低速世界的感受直接往高速世界無限延伸,但其實并沒有什么邏輯必然性,我們應(yīng)該果斷地拋棄我們的舊觀念,接受新觀念?
小愛不再糾結(jié)了,他決定斷然的接受光速恒定不變這個新觀念,以此為基石,繼續(xù)往下推演,看看到底會得到些什么結(jié)論。不論這些結(jié)論是多么的光怪陸離,我們至少應(yīng)該有這個勇氣往下想,再奇怪的結(jié)論也可以交給那些實驗物理學(xué)家們用實驗去檢驗真?zhèn)巍?/p>
小愛想起了自己非常崇拜的古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德(希臘文:Ευκλειδη,約公元前330年至前275年)先生,他寫的《幾何原本》一直是小愛少年時代最鐘愛的書,歐幾里德從5條公理、5條公設(shè)出發(fā),推導(dǎo)出了23個定理,解決了467個命題,這種從基本的幾個公理出發(fā),邏輯嚴密而又無懈可擊的推導(dǎo)過程,讓少年時期的小愛深深地感受著數(shù)學(xué)之美。他還記得當(dāng)自己第一次親手證明出三角形內(nèi)角和是180度時候的興奮,還記得自己苦苦推導(dǎo)兩個月,終于親手證明了畢達哥拉斯定理(勾股定理)時的激動,這些小時候的事情歷歷在目。那么現(xiàn)在是否可以從幾何學(xué)的公理思想出發(fā),把光速不變作為一個基本公理,在此基礎(chǔ)之上往下推導(dǎo)呢?小愛想著想著,眼皮開始發(fā)沉,意識逐漸模糊起來。小愛睡著了,他做了一個夢,這個夢非常精彩,雖然小愛第二天起床以后把這個夢的情節(jié)忘記掉了,證據(jù)是在他以后的著作中再也沒提到過夢中的情節(jié),但是顯然這個夢中的結(jié)論他沒有忘記,證據(jù)是在他以后的著作中以另外一個不同的故事描述了同樣的結(jié)論。但從筆者的角度來看,小愛這個夢遠比他后來自己寫下來的故事要精彩得多,下面讓我把小愛的這個夢記述下來: