相对论的基本假设

第二章第五节里曾经提到，迈克尔逊实验将光的以太理论逼进了死胡同。他试着测量地球相对于以太的运动速度，但是结果却为零。

以下为实验的基本思路：我们知道，游泳的人逆流而上和顺流而下游过相同的距离时，需要的时间是不一样的。通过两次测量，我们能够很容易计算出人游泳的速度和水的流速。从力学观点来看，光在以太中的传播应该和人在小溪里游泳是一样的；而实验中观察光在相对于地球运动的“以太流”里的传播，也应该与在岸边观察水里的人一样。所以，如果能测出来顺着以太流和逆着以太流两种情况下的光速，我们就可以知道地球在以太中的运动速度。这个想法实现起来很不容易，因为光速实在太快了（三十万千米每秒）。不过，迈克尔逊设计了一种方式，使沿这两种路径传播的光速可以相比。他的想法是测量两条光路传播的时间差，一条是沿着地球在以太中运动的方向，从点S传播到镜子M，然后反射回S；另一条是从S到另一个镜子N，然后返回S，其中M、N与S的距离分别相等，但是M到S的连线与N到S的连线互相垂直。如果力学的观点是正确的，那么第一束光线从S到M再返回S所花的时间会比第二束光线稍微多一些。即使地球在以太中运动的速度远小于地球环绕太阳运动的速度，迈克尔逊的实验仪器也足以精确，能观察到这种时间上的差别。但是他发现，测量的光沿着两条路径传播所花费的时间没有任何不同。

地球在以太中不可能总是静止的，否则这会与其他的观察结果相矛盾。那么，我们可能得到的唯一解释就是，预测这个结果的假设本身是错误的。其假设正是光的机械理论。

爱因斯坦从中得出了一个激进的结论，并建议完全舍弃光在诸如以太这种介质中运动的假设。与其去研究以太理论中光和运动的相互作用，爱因斯坦提出了另一个疑问，即光与运动相互作用的主要特征是什么。他提取了这些特征并获得了一些简单的定律，然后追问，从逻辑和数学链出发，我们可以得到什么结果？

迈克尔逊的实验以及其他人所做的类似的实验都表明了光学现象并不能被看作以太中的力学现象，而应该和所有的力学现象一样平等，有一个普适的可观测特征。爱因斯坦在相对性原理中找到了这个在物体的运动和光的传播过程中共通的特征。

正如我们在上一章第四节中提到的，牛顿力学包含了一个相对性原理，即只需要知道初始坐标和初始速度，就可以预测未来某时刻任何物体相对于惯性系的运动，这与惯性系本身的运动是没有关系的。

现在，如果我们否定以太的存在，那么迈克尔逊实验的零结果就意味着实验结果可以完全由实验室中的装置来进行预测，无须知道实验室相对于其他天体的运动速度。由于类似的结论可以从其他光学现象中推断得到，爱因斯坦提出把牛顿力学的相对性原理拓展到光学现象中来：“对光学现象的预测可以在得知其实验室的实验条件后进行，而无须知道实验室本身在宇宙中的速度。”所以，根据爱因斯坦的理论，力学与光学定律的联系并不在于把光学还原成力学，而在于有一个普适的定律对二者都是适用的。

除了“相对性原理”，爱因斯坦还需要另一个原理来阐述光与运动的相互作用。他研究了光源运动对其发射出的光运动速度的影响。从以太论的观点来看，无论光源如何运动，光速总是不变的；这里，光被看作以太中以恒定速度传播的机械振动。这个速度只依赖于以太的弹性和密度。

放弃光的以太理论之后，爱因斯坦不得不用观察事实来重新阐述这个定律。假设有一个基本的参考系F，光在这个参考系中以特定的速度c运动。不管光源相对于F如何运动，其发射的光总是以相同的速度c相对于F运动。这个论述通常被称为“光速不变原理”（Principal of the constancy of the speed of light）。

光速的不变性已经从双星的观测中得到了验证。双星是质量相当的两个恒星，它们靠得很近而且绕着对方旋转。如果光速依赖于光源的速度，那么当两个恒星相互绕转时，向着地球方向运动的那颗恒星发出的光到达地球的时间应该要比远离地球运动的恒星发出的光要晚一些。而对两束光的分析表明，光源速度并没有对光的传播带来任何可观察的影响。