Each ray of light moves in the coordinate system ‘at rest’ with the definite, constant velocity V independent of whether this ray of light is emitted by a body at rest or a body in motion.
——Albert Einstein, 1905
在物理学中，只有几个想法是足够强大到可以塑造宇宙的图景以及告诉我们它如何运作。这些想法包括引力，运动定律，电和磁，以及量子力学。但是，在100多年前，运动定律——牛顿基于伽利略的工作而提出来的——遇到了一点麻烦。在17世纪早期的时候，伽利略认为不存在绝对的和恒定的静止状态；没有哪个观察者具有“特殊”地位。但是，科学家也发现，无论观察者在哪里或如何运动，光的速度都是不变的。这两个想法看起来是兼容的，但是牛顿的运动定律无法把它们囊括在一起。而只有从爱因斯坦的相对论的角度去看待，它们才能完好的运作。
从单光子实验到天文物理现象，在宇宙中任何地方的所有观察者都会观测到光速保持不变。
想象一下你在一列火车内，正以45米/秒的速度运行着。这个时候，你发射了一个炮弹，炮弹的速度为89米/秒。从你的角度观察（在火车上），你看到炮弹的速度为89米/秒。而在地面上的观测者，他们会看到炮弹以134米/秒的速度运行，这是从火车的速度和炮弹的速度相加得出来的。伽利略预测了这个的结果，在今天仍然成立。但是如果你把炮弹换成光，事情就开始变得怪异起来了。光以299,792,458米/秒的速度在空间中传播着，如果你在火车上发射一束光，此时的观测者，无论是在地面上、飞机上、火箭上或者以任何速度运动，他们都会看到同样的事情：光的速度都是一样的，即光速。
从火车上发出的光对于所有观察者来说速度都是一致的，无论是观察者是在火车上，或不在火车上，或以任何速度运动着。（Wikimedia Commons）
这个发现其实并不容易。回到19世纪，我们唯一知道运动最快，且保持恒速的物体是地球。地球在赤道处绕着轴转动的速度为465米/秒，但它以每秒30公里的速度绕着太阳运动。这个速度大约是光速的0.01%. 这个数字看起来好像很小，但已经快到足够让我们进行实验，测试光速是否会改变。
基本的迈克尔逊干涉仪。如果干涉仪的臂长是一样的，沿着两臂传播的速度就会是一样的，那么任何东西沿着垂直的两臂传播都会同时到达目的地。但如果在其中一个臂的方向上有顺风或逆风，到达的时间就会有所延迟。（LIGO）
当时，科学家认为光的传播介质是“以太”。由此就会产生一个问题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，这会对光的传播产生影响。这就意味着光沿着地球绕着太阳的轨道运动的方向传播的时间要比沿着垂直方向传播的时间更久。1880年代，迈克尔逊建立了一系列超灵敏的干涉仪装置来探索真相。如果情况果真如此，那么我们会预期在干涉仪上观测到干涉条纹会产生移动。但实验结果是：未发现任何条纹移动。在此之后的许多年，迈克尔逊-莫雷实验又被重复了许多次,所得都是零结果。
最上面显示的是迈克尔逊干涉仪，实验结果给出的是可忽略的干涉条纹移动（实线），而科学家预期看到的是虚线的结果。（Albert.A.Michelson）
这或许是物理学史上最重要的一个零结果，因为这意味着光速相对于任何观察者都是不变的。爱因斯坦的相对论的一个巨大进步就是它表述了物理定律不取决于你如何运动，而其中一个事实是光速相对于任何人都是不变的！对于以不同速度运动的观察者来说，改变的不是光束移动的有多快，而是观测者自身携带的时钟如何运作以及在不同速度下物体之间的距离变化。尺缩效应（当尺子沿尺长的方向相对于你运动时，你会测得它变短）和时间膨胀（动钟流逝的更慢）都已经被实验验证了。
一个以光速运动的光钟相对于一个静止的观测者来说时间流逝的更慢。（© John D. Norton）
而狭义相对论之所以“特别”是因为这些定律在任何时间适用于任何人、任何地方，包括在不同大小的引力场的深处。但是为了解释这个，你需要一个更普适的理论：爱因斯坦的广义相对论。狭义相对论其实是广义相对论的特例，在狭义相对论中我们不考虑引力场。狭义相对论是在1905年首先由爱因斯坦发现的。但直到1915年，爱因斯坦才完成他的广义相对论，并在1919年通过对日食的观测验证了其中一个预言——光线在引力场的作用下偏折。
1919年爱丁顿的观测结果证明了广义相对论。（the Illustrated London News，1919）
狭义相对论最特别的地方在于它结合了光速是不变的事实加上观察者在任何参考系看到的物理定律都一样。这在今天仍然成立！所以放心，无论你如何运动或者在哪里，无论你什么时候看或怎么做，物理定律对于你或对任何其他人都一样。这是宇宙中的一个非常特别的事实，即使是在111年后。
发表于 2017-7-9 02:38
收藏
分享