上回說到普朗克等十多位物理學家在布魯塞爾高高興興地聚會,普朗克問愛因斯坦何不索性入夥,全力來攻量子論。愛因斯坦提醒他不要忘了物理學的天空上除“黑體輻射”外還飄著另一朵烏雲。
各位讀者,你知道這朵烏雲是什麽?這便是那個權威的“以太說”,突然遇到了挑戰。
原來自從牛頓創立經典力學之後,這物理學的大廈真是金碧輝煌,美妙至極,無以複加。難怪當年普朗克的老師都勸他再不要在物理研究上打什麽主意。牛頓力學是一把萬能鑰匙,好像凡自然界的現象都能用它一一解釋。你看偌大個宇宙都在牛頓的手中掌握,伸手一指,那隱匿極深的海王星就趕快前來報到;再掐指一算,外出七十六年的哈雷彗星也要按時回來複命。另一方麵,它又成功地解釋了我們生活中諸如拉車、走路、流水、刮風等小如雞毛蒜皮一樣的問題。於是力學的分支越來越多,如流體力學、剛體力學、彈性力學等等,人們也越來越願意把一切運動變化都歸結為簡單的力,如“化學親和力”“生命力”“光反射力”“電接觸力”等,仿佛世界上的一切都可以套用機械的力學來解釋了。
牛頓的“力”這樣神奇,那麽它通過什麽傳遞呢?推車得用手抓住車把,碧波**漾離不開水,聲波傳播離不開空氣。可是地球離太陽一億五千萬公裏,這之間既無水也無空氣,太陽通過什麽媒介來施展自己的引力呢?物理學家們又想出一個假設,說宇宙間充滿一種很稀薄的物質,天體或其他物體間的作用就靠它作媒介,笛卡爾借用古希臘的哲學名詞,叫它為“以太”。此說一起,許多難題果然迎刃而解,引力靠以太傳播自不必說,法拉第的電磁力也離不開它,麥克斯韋證明光也是一種電磁波,當然光的傳播也就離不開它了。更重要的是,以太的存在正好說明牛頓的絕對時空觀,有了這麽一個絕對靜止的以太才會有地球、太陽等一切相對於它的運動,要不那些星球的運動拿什麽來參照?以太成了十九世紀中期物理學家們最溫柔的保姆,成了他們可以信賴的上帝。
但是總有一些聰明、勇敢的人在一種迷信和一片虔誠中首先提出問題。這以太既然無處不有,為什麽我們就感覺不到呢?另外,光波是一種橫波,橫波必得由固態介質傳遞,以太即該是固態了,但這樣一來就等於我們被澆鑄在一個透明的以太玻璃球裏,可是又不影響我們隨意的動作,這真是太不可思議了。
有疑必定有問。事有湊巧,1884年,那個治學嚴謹、輕易不外出講學的湯姆孫終於被請到美國來做報告了。美國當時比起歐洲來科學很是落後,它就想方設法請名家來講學,以後還重金收買人才。湯姆孫的到來自然是一大喜訊,做報告那天科學界人士濟濟一堂。報告會休息時,大家又擠到這個世界名人跟前七嘴八舌地問這問那,自然也提到那個神秘的以太問題。湯姆孫說:“以太到底是否真有其物,現在還不能定論。我們隻知道地球是以每秒三十千米的速度繞太陽運行,那麽迎麵就應該有一股以太風不斷吹來。如誰能用實驗證明了這股風的存在,也就證明了以太的存在,但這要靠實驗。”又是說者無心,聽者有意。這時在人群裏有一無名青年,聽到權威湯姆孫的這句話心中不由一動,一個新研究課題便“哢嚓”一聲在腦子裏掛上鉤了。
各位讀者,這種說者無心,聽者有意,從而激發出一項大的發明、發現的事,本書中已出現多次。1793年伏打聽了伽伐尼關於解剖青蛙的報告,轉而發現了電壓;1894年馬可尼看到赫茲逝世的訃告,轉而發明了電報;1896年貝克勒爾聽了彭加勒關於熒光物的報告,轉而發現了天然放射性。這正應了那句話:機遇隻給有準備的頭腦。科學家的大腦永遠是一張張開的蛛網,必然能捕到偶然飛過的獵物。
邁克爾遜的實驗裝置是這樣的,在一個大水銀池中漂著一塊堅固的大理石板,這是為了既能靈活轉動又不至於搖晃。從石板一側發出的一束光打到石板中心的玻璃上,玻璃成斜角,上麵有一半鍍一層銀,這樣射來的光線就被分成兩束,一束照直穿過,一束反射到與光線來路垂直的方向。這兩束光走過相同的距離後分別在石板邊的兩麵鏡子上再反射回來,匯合在望遠鏡頭裏。因為光線分成九十度角,一束是逆以太而行,另一束必是垂直於以太而行,兩束光的速度便應該有差別,這可以根據它們在望遠鏡頭裏匯合時的幹涉現象來確定。讀者也許要問,光速這樣快,你這塊石板能有多大,就是有差別也難測出。但是你要知道,地球也在以每秒三十千米的速度前進,那麽逆著以太的光和橫向的光每秒也應相差三十千米。而邁克爾遜這個製造儀器的高手,他的幹涉儀就是一億分之一秒的光行差也能測得出來。
再說邁克爾遜和莫雷架起這台儀器,他們先測了一次,從望遠鏡裏看正是最大亮度,這說明兩束光是同時返回的,它們的速度相同。邁克爾遜又把儀器轉一個角度,這塊大石板在水銀上極平穩靈活地滑動一下,鏡頭裏的光仍是和剛才一樣的亮。他真有點兒納悶,幹脆把石板輕輕推著繞著圈觀察。可是無論他將儀器轉成什麽角度,看到的結果仍然不變。他眼睛都看疼了,便喊莫雷繼續來看,莫雷又把那個石板像推磨似的推了幾圈,喊道:“邁克爾遜先生,仍然看不出什麽差別,怕是我們的儀器靈敏度不夠吧!”
“不可能。這台儀器我已經把它調到連植物在一秒鍾內的生長量都可以觀察到。如果有以太存在,每秒三十千米的光行差是一定能夠反映出來的。”
“那就說明以太在隨著地球做百分之百的移動,我們應該盡量離開地麵,到高空試一試是否有以太飄移。”
但是邁克爾遜和莫雷把他們的裝置搬到高山頂上,甚至隨著氫氣球上升到半空,還是測不出這種以太引起的光行差。結論隻可能有兩個:要麽是地球根本就沒有動,要麽以太這東西根本就不存在,但無論哪一條都是一說出口都叫人目瞪口呆的新聞。這天體運動經哥白尼發現到牛頓最後證明是絕不能懷疑的,相比之下倒是以太說還有一點兒漏洞,看來宇宙間根本就不存在什麽以太。邁克爾遜本是想以精確的實驗為以太的存在提供證據,不想結果適得其反,卻從根本上否定了以太。一個小小的實驗卻戳破了人們想象中的宇宙。
正是:
本欲門上去貼金,手指一碰戳破門。
原來大門是紙糊,何必為它費苦心!
這邁克爾遜的實驗實在精巧,後來愛因斯坦曾有一段話專門評價他道:“邁克爾遜實驗得出了一個任何人都應當理解的真正偉大的結果。我總認為邁克爾遜是科學家中的藝術家,他最大的樂趣似乎來自實驗本身的優美和所使用方法的精湛。他受過的數學或理論訓練很少,又沒有理論方麵的同事指導,而能夠設計出邁克爾遜—莫雷實驗,那是非常驚人的。”
再說邁克爾遜的實驗結果一宣布立即在物理學界引起一場軒然大波,本來萬裏無雲的藍天上突然出現了一朵烏雲。因為以太一旦被否定,城門失火,殃及池魚,那牛頓力學的絕對時空觀將要從根本上動搖。已經伴隨人們過了兩個世紀,指導物理學家做出無數發現的牛頓力學現在突然失靈了,經典物理學金碧輝煌的大廈突然出現了裂縫。於是各國的物理學家們紛紛提出各種方案來挽救以太,總希望邁克爾遜的實驗能有另一種解釋。
光速既然是一個極限,邁克爾遜的實驗又證明了無論哪個方向上的光束都是一樣的速度,這不就是一個實實在在、幹淨利索的結論嗎?何必又要把以太扯進來呢?而且以太既然是靜止不動的,它絲毫沒有自己的速度、質量,這和不存在又有什麽差別?
各位讀者,繼承必須超越。一個權威的理論也常常有發生、成長和衰落的過程。因為這權威曾給我們許多指導和信賴,就像父親對子女一樣有養育之恩,所以在權威衰落之時,從感情上我們常常不能擺脫對它的依賴。要衝破舊習慣是一件很難的事情。正像一個舊王朝被推翻之前,總有人千方百計地想出許多改良政策以延長其壽命;一個舊學說被拋棄前,人們也總是想把新事實和舊理論統一起來,希望它還能維持住它的權威。可是這以太說已經如同一件老和尚的百衲衣,補丁實在太多,縱然有費茲傑羅、勞倫茲這樣的好裁縫也實在難以補綴了。
此人到底是誰,且聽下回分解。