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发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标  题: 伟大的相对论（二）
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月08日12:04:57 星期六), 站内信件

二、光的科学史（上）
　　宇宙中最不可理解的事情，就是宇宙居然是我们可以理解的。
　　　　　　　　　　　　　　　　　——阿尔伯特·爱因斯坦
　　宇宙中最奇妙，最深奥的问题，恐怕就是对光的研究。
　　光是什么呢？是物质？是振动？还是能量？又是如何产生的，
如何传播的呢？多少个世纪以来，人们不断研究，探索光的问题，
企图解开光之迷。客观的说，到目前为止，科学界依然没有完全
了解光的全部内涵，不过，正是由于科学家们对光的不断深入和
细致的研究，导致了物理学上的两次革命：相对论的建立和量子
力学的建立。
　　光学是一门古老的科学，早在古希腊时期，著名的科学家和
哲学家如欧几里德，托勒密都曾先后研究过光的问题。但是，由
于光学涉及到自然科学的各个领域，再加上古代人的观测试验手
段十分的落后，导致没有人能详细解释关于光的各种特性。到了
17世纪，以笛卡儿、开普勒和斯涅尔为代表的科学家们对光在传
播中的直射，反射和折射做了大量详细深入的研究分析，改变了
古希腊人对光的折射性的错误观念，笛卡儿在他的著作《折光学》
中提出了一个著名的折射定律，即入射角与折射角的正弦之比为
常数，并由此而奠定了几何光学的基础。
　　18世纪，牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域：
物理光学。牛顿认为，光是一种直线运动的微粒粒子流，由于微
粒粒子流的运动，使得人类眼睛的视网膜对此作出反应，由此产
生光的视觉现象。而在此之前，以笛卡儿为代表的科学家们一直
认为光是一种脉冲波动。牛顿的微粒说的提出在物理学界引起了
轩然大波，并由此而产生激烈的争议和探讨，科学家们就光是波
动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。
　　直到19世纪，随着麦克斯韦通过对电磁现象的研究，建立了
电磁学，并将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围
内的电磁波，从而确立了波动说的地位（值得一提的是，同一时
期，德国物理学家基尔霍夫通过对太阳光谱的研究，创建了光谱
分析的方法。而光谱分析不仅是现代天文学的最主要的研究手段，
也是现代原子学的基石）。电磁学与经典力学的结合使得物理学
显示出一种形式上的完整，从而使经典物理学产生了一种美的境
界。
　　但实际上，电磁学在解释光的传播性上远不完美，尚存在着
巨大缺陷。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度（光速）应
该是一个恒量，然而根据经典力学对光速的解释，不同惯性系中
的光速不同，光速究竟是否应该遵从相对性原理？电磁学对光速
的解释与经典力学在相对性原理上相互之间产生了巨大的矛盾，
而正是这一矛盾，导致了人类历史上最伟大的科学家的出现——
阿尔伯特·爱因斯坦。
　　爱因斯坦通过对麦克斯韦电磁理论的研究，特别是对经过赫
兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学的研究，发现了一个奇怪的漏
洞：绝对参照系以太的问题。在爱因斯坦之前的科学家们都相信，
宇宙中存在一种可以激励光传播的物质媒介——以太。通过测量
光穿过以太运动来证明光的速度。但是，无数科学家企图证明以
太的存在，却无一成功，这不能不使爱因斯坦感到疑惑：世界上
是否存在以太？电磁场是否存在荷载物？
1905年，《论动体的电动力学》
　　爱因斯坦坚信宇宙中一切物理现象的背后都蕴藏着完整的统
一性，因此，麦克斯韦的电磁学理论必须要与经典力学统一起来。
爱因斯坦为了解决这一矛盾，做出了一个假设：假设有个人能够
达到光的速度，与光并肩齐行，那么他就会发现静止的光。但是，
根据麦克斯韦的电磁学原理，振动的电磁波是不可能观测到的，
而且波也不可能处于静止状态，也就是说，宇宙中不可能存在光
在静止状态的参照系，对于任何一个参照系来说，都只有属于这
个参照系的时间与空间。因此，爱因斯坦确信，光在所有参照系
中速度必然相同。根据这一物理法则，爱因斯坦进行了多年的探
索和研究，于1905年与洛伦兹、闵科夫斯基、外尔合著了《运动
物体电磁动力学》，提出了狭义相对论，建立了全新的时间和空
间理论。爱因斯坦的相对论与麦克斯韦的电磁学理论完美的结合
在一起，从而推动了物理学上的一次意义深远的重大革命。
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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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