愛因斯坦早就知道相對論是一場誤會

作者丨李春生（書房記團隊作者）

相對論是對是錯在網絡上爭論得熱火朝天，成為吃瓜群眾的開胃菜，而上世紀下半葉，蘇聯科學界更是抱團組團來批鬥它，然而，沒有什麼鳥用。是的，雖然相對論只能在科幻小說電影中應用，但是並不影響它被認為是無比正確的理論，依然是神聖不可侵犯的理論，牛著呢。但是，如果告訴你，愛因斯坦早就知道相對論其實是一場誤會，你需要保護好自己的下巴。

我們知道，越是堅固的城堡，越是需要從內部攻破。有些故事的結局往往就是這樣。不過，讀這篇文章需要逆向思維能力，也需要讀者具備相當的物理知識。

好！請大家系好安全帶，我們來一場頭腦風暴。

“這50年來，冥思苦想並沒有讓我接近這個問題的答案，什麼是光量子？當今任何一個普通人，都認為他知道這個答案，但是他是錯的”。［《時間之箭》，第123頁］這是愛因斯坦1951年12月12日寫給老朋友兼知己米歇爾·貝索的信。

等等，愛因斯坦這話啥意思呢？光量子就是光子啊！我們知道，光子這個詞就是源自於愛因斯坦，愛因斯坦認為光也是一種量子，即光量子，簡稱光子，他認為光是一種微粒而不是振動的波。如果人們頭腦中光量子的概念是錯誤的，那麼光就不是粒子，而是一種波，這樣，問題就嚴重了，這是一種自我顛覆！

有人會說，僅憑愛因斯坦的這句話怎麼能判斷他對相對論失去了信心？彆著急，我們需要回顧幾百年來的波粒之爭。

矛盾的焦點：波粒之爭

光是什麼？水波是水在上下波動，聲波是空氣在振動。波必須要有振動的媒質，光可以在宇宙空間中傳播，對波動說來說，宇宙空間必然存在著某種媒質。任何慣性粒子在非真空空間中都會因為阻力而無法保持恆定速度，因此，粒子說必須建立在無一物的真空的基礎上。必須注意的是，“有”的反義詞是“無”，“無”的反義詞是“有”，不能是半有或半無，空間要麼由物質構成，要麼是空無一物的真空，不存在自欺欺人的充滿了物質的“真空”或“虛空”。因此也可以說，粒子說和波動說爭論的焦點是空間性質之爭，空間是空無一物的真空還是由某種物質構成將決定粒子說和波動說的命運。

第一次波粒之爭

15世紀，笛卡爾認為物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質以太來傳遞，不存在任何超距作用。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球對潮汐的作用力。英國物理學家胡克提出了光波是橫波，解決了縱波不能解釋的光的偏振現象和直線傳播現象。這時期的以太稱為“發光以太”或“光以太”。 不幸的是，早期的波動說遇到了一個劃時代的科學巨人——牛頓，他認為光是一束高速運動的粒子流。隨著《自然哲學之數學原理》的巨大成功，以及引力的平方反比定律在天體力學方面的成功，牛頓成為學界的權威，光的波動說被放棄，第一次波粒之爭以牛頓為首的粒子說的勝利告終。［參見《一隻大象》25~30頁。］

第二次波粒之爭

1801年，托馬斯· 楊在《聲和光的實驗和探索綱要》一書中的宣言中寫到：“儘管我仰慕牛頓的大名，但是我並不因此而認為他是萬無一失的。我……遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威有時甚至可能阻礙科學的進步。” 托馬斯· 楊做了一個實驗，他把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，形成一個點光源。第二張紙上開了兩道平行的狹縫。點光源的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明、暗交替的條紋，這就是著名的雙縫干涉條紋。當今，即使是精確地用單個的光子或電子也會產生同樣的明暗干涉條紋。沒人能夠用粒子說的邏輯解釋兩道光疊加在一起怎麼反而造成了黑暗。而波動說的解釋卻是簡單而直接的——兩條狹縫距離屏幕上某點的距離會有所不同，當這個距離差是波長的整倍數時，兩列光波正好相互加強，於是這個位置就會出現明亮條紋。反之，當距離差剛好造成半個波長的相位差時，兩列波就正好相互抵消，這個位置就會出現暗的條紋。理論計算出的明亮條紋距離和實驗值分毫不差。托馬斯·楊的雙縫實驗、菲涅耳的泊松亮斑和傅科對光速的測量都證明光是波。第二次波粒之爭以波動說的勝利告終。19世紀末，隨著麥克斯韋電動力學的成功，波動說處於絕對的主導地位。經典力學、經典電動力學和經典熱力學成為經典物理學的三大支柱，經典物理學達到最鼎盛的時期。 ［參見《一隻大象》31~38頁。］

第三次波粒之爭

但是不久，經典物理學的天空飄來了兩朵烏雲。第一朵烏雲——邁克爾遜——莫雷實驗導致了狹義相對論的降生，第二朵烏雲——“紫外災變”問題導致了量子力學的降生。

1859年的斐索實驗證明，光的速度會與空間介質的運動速度疊加或遞減，即光的速度會增快或減慢。按照托馬斯·楊的“以太漂移假說”，以太作為絕對靜止參照系，星體與以太空間會產生絕對運動。例如地球的自轉，地球表面必然會遇到每秒30公里的“以太風”。如何檢驗是否存在“以太風”呢？1879年，麥克斯韋提出了一種檢驗方法：讓光線分別在平行和垂直於地球運動方向等距離地往返傳播，如果存在每秒30公里的“以太風”，那麼平行於地球運動的方向所花的時間將會略大於垂直方向的時間。1884年，美國物理學家邁克爾遜和莫雷在美國凱斯技術學院的地下室裡進行了這個實驗。實驗結果顯示並沒有在兩個方向上測量出光速的差異，這意味著地球表面與以太並無相對運動。

1905年，狹義相對論誕生。1919年，愛因斯坦預言的星光偏折現象被“證實”，並因光電效應榮獲若貝爾獎，他認為‘光以太’是多餘的，愛因斯坦的斷言和邁——莫實驗的結論判處了以太的“死刑”。隨著原子領域的新發現，原子核的質子和中子及各種亞原子粒子都顯示出物質的粒子性。隨著量子力學（哥本哈根學派）的成功，波動說日漸勢微。但是，因為粒子說的所有理論均無法自洽地解釋雙縫干涉實驗，因此，第三次波粒之爭的結果是量子具有波粒二象性，這是一場平局。［參見《一隻大象》39~46頁。］

問題來了，如果愛因斯坦認為光不是一種粒子，而是一種波，那麼，空間就不是空無一物的真空，而是由某種物質構成，即空間由物質的廣延——以太構成。問題是，這種空間介質叫以太或其他什麼名稱不重要，關鍵是空間並非是空無一物的真空。我們知道，以太的掘墓人正是愛因斯坦。

也許有人會說，空間並非真空，能有多大的問題。唉！您不知道哇，每個理論都應是一套完整自洽的邏輯系統，如果不能邏輯自洽，那跟《西遊記》就沒啥差別了。別忘了小時候那句順口溜：“看了西遊記，說話如放屁！”

別！別！我們都是文明人，不能這麼粗俗，我們要以德服人！以德服人！

好吧，以太是否存在？我們就從唯一可以證偽以太的實驗邁克爾遜——莫雷實驗說起吧。

細節裡的魔鬼：邁克爾遜——莫雷實驗

邁克爾遜——莫雷實驗結果顯示並沒有在兩個方向上測量出光速的差異。問題出在哪裡呢？事實上，當時還有兩種以太假說：

1.“以太部分曳引假說”。菲涅爾認為以太絕對靜止，當一個物體相對以太參照系運動時，其內部的以太只是超過真空的那一部分被物體帶動。

2.“以太完全曳引假說”。英國物理學家喬治·斯托克斯認為把以太分成不動（以太漂移假說）和可動（以太部分曳引假說）的兩部分不如假設星體能夠完全拖曳一部分以太，在物體表面附近的以太有一個速度逐漸減慢的區域，星體曳引周圍的這部分以太一起運動，而距離星體更遠空間中的以太則完全靜止。即在地球表面，以太與地球具有相同的速度，即地球完全曳引這部分以太。只有在離開地球表面某一高度的地方，才可以認為以太是靜止的。［《狹義與廣義相對論淺說》導讀第17頁］因此，在地球表面附近的以太空間與地球並無相對運動。

還有，邁——莫實驗的地點在美國凱斯技術學院的地下室裡進行，除非地球如同托馬斯·楊所認為的那樣是一種鏤空結構，以太“就像風穿過小樹林”一樣穿過地球這種鏤空結構到達地下室內，否則，實驗就不可能在地下室裡測量到“以太風”的存在。這和在一個密封的盒子裡測量風速一樣滑稽。根據“以太完全曳引假說”，邁——莫實驗根本不可能在地球表面檢測到“以太風”。

請注意，邁——莫實驗是以1859年的斐索實驗為基礎的實驗。前者是觀察光速是否受到傳播介質運動的影響來驗證空間介質是否存在相對運動，後者是製造空間介質的運動來驗證光速是否受到傳播介質運動的影響。斐索實驗證明運動的介質會改變光的傳播速度，這意味著真空中光速不變原理並不成立。請注意，正是在已知空間介質會影響光速和使光的方向產生偏移的情況下，邁——莫實驗才得出了空間介質與實驗裝置並無相對運動的結論。如果斐索實驗不能證偽光速不變，那麼邁——莫實驗也就不能證偽以太，哪種結果對相對論來說都是災難。但是，“以太完全曳引假說”和斐索實驗被選擇性遺忘了，這就是“證實性偏見”的魔力。［參見《一隻大象》47~51頁。］

被隱瞞的真相：廣義相對論以太

證偽以太的實驗證據只有邁——莫實驗，還有就只有愛因斯坦的思想假設了。人們不敢相信的是，以太的掘墓人和以太的拯救者竟然是同一個人。請看愛因斯坦對以太觀點的變化。

1905年，愛因斯坦認為：企圖證實地球相對於“光媒質”運動的實驗的失敗，引起了這樣一種猜想，絕對靜止這概念，不僅在力學中，而且在電動力學中也不符合現象的特性……“光以太”的引用將被證明是多餘的。因為按照這裡所要闡明的見解，既不需要引進一個具有特殊性質的‘絕對靜止的空間’，也不需要給發生電磁過程的空虛空間中的每一個點規定一個速度矢量。［《狹義與廣義相對論淺說》194~195頁］

從狹義相對論的觀點來看，以太假說首先是一種無用的假說。［《狹義與廣義相對論淺說》174頁］

這是愛因斯坦的早期觀點。

1921年，愛因斯坦又宣佈：但是，否認以太的存在，意味著承認空虛空間絕對沒有任何物理物質，這種見解不符合力學的基本事實……為了至少能夠在形式上把體系的轉動看成某種實在的東西，牛頓就把空間客觀化了。既然他認為他的絕對空間是實在的東西，那麼在他看來，相對於一個絕對空間的轉動也就該是某種實在的東西了。牛頓同樣也可以恰當的把他的絕對空間叫做以太 。［《狹義與廣義相對論淺說》175頁］

狹義相對論並不一定要求否定以太，可以假定有以太存在，只是必須不再認為它是確定的運動狀態……狹義相對論不允許我們假定以太是由那些可以隨時間追蹤下去的粒子所構成的，但是以太假說本身同狹義相對論並不牴觸，只要我們當心不要把運動狀態強加給以太就行了。［《狹義與廣義相對論淺說》173~174頁］

依照廣義相對論，一個沒有以太的空間是不可思議的，因為在這樣一種空間裡，不但光不能傳播，而且量杆和時鐘也不可能存在，因此也就沒有物理意義上的空間-時間間隔。［《狹義與廣義相對論淺說》177頁］

廣義相對論以太是這樣一種媒質，它本身完全沒有一切力學和運動學的性質，但它卻參與對力學（和電磁學）事件的決定。［《狹義與廣義相對論淺說》176頁］

請注意，當愛因斯坦將以太以“廣義相對論以太”的名義復活後，就沒有任何可以撼動以太地位的力量了。唯一對以太不利的東西只有人腦中陳舊且不能及時更新的觀念。

波動說與粒子說爭論的焦點是以太和真空之爭，如果空間由“廣義相對論以太”構成，相對論和量子力學的立論基礎都會崩塌。因此，除了愛因斯坦的［《狹義與廣義相對論淺說》以外，粒子學家們對這個可以摧毀粒子說理論的“廣義相對論以太”絕口不提，絕大多數人根本沒聽說過這個詞，更不敢相信它竟然出自以太掘墓人之口。［參見《一隻大象》55~56頁。］

好！不扯遠了。我們知道，相對論建立在真空基礎上的理論，即真空中光速不變！如果空間由物質構成，光粒子就因空間阻力而無法保持恆定速度，那就不能保持光速不變了。現在，愛因斯坦又讓以太復活，那就是把相對論推向萬劫不復的深淵！

懷疑與批判

理論物理學目前的現狀是沒有一個理論可以自洽地解釋宇宙所有問題。我們生存在同一個宇宙，卻存在著4種互不相容的物理理論，面對宇宙這隻大象，我們其實都是那些盲人。雖然各個理論的觀點互不相融，但是誰也無法證明其他理論的錯誤，大家處於一種和諧共處的“共和”狀態。既然所有的理論都是正確的理論，為什麼它們又都不是可以自洽地解釋宇宙所有問題的終極理論呢？為什麼還有那麼多問題無法解釋呢？相對於突飛猛進的應用物理學，理論物理學處於停滯狀態。是什麼阻礙的科學的發展呢？

《人類簡史》的作者尤瓦爾·赫拉利在2017年指出：“尊重知識、聽取學者意見很好，但發展到崇拜任何人的程度都很危險，包括崇拜學者。一個人一旦被推崇為先知或權威，他（她）自己都可能信以為真，進而變得驕傲自大，甚至陷入瘋狂。對追隨者而言，一旦他們信奉某人為權威，便會自我設限，停止努力，只期待著偶像來告訴他們全部問題的答案和解決方法。即使答案是錯誤的、方法是糟糕的，他們也會通盤接受。”智慧從懷疑開始，真正的科學精神是懷疑與批判。終極理論不會是一個全新的理論，它就藏在現有的理論之中，當我們以客觀邏輯為工具，就能在錯綜複雜的觀點中找出宇宙真實的脈絡。

先賢們幾千年積攢下來的思想成果滋養了我們的智慧，他們點亮了一個又一個燈塔，指引著人類的發展方向。沒有人的觀點全部正確，也沒有人的觀點一無是處。有些觀點後來被事實證明是一個個錯誤，那也是他們在錯誤的地方樹立起了一個個指引正確航道的航標燈。

千萬別以為這本書是針對相對論的，那也太小看這本書了。和《七堂極簡物理課》這類無立場解讀的科普書不同的是，《一隻大象》這本書以旁觀者的角度對物理學發展史進行了重新梳理，還原了一些不為人知或被扭曲的歷史細節，提醒人們注意“證實性偏見”的危害性。

受伽利略的《關於托勒密和哥白尼，兩大世界體系的對話》的啟發，這本書也借四個虛擬人物的對話來闡述四大物理理論針鋒相對的觀點。書中引用均來自權威專著，並採用頁下注，這也是能夠通過專家審稿並獲准出版的原因之一。書中還用一些通俗易懂的小寓言來解析複雜的物理理論，相對來說比較通俗易懂。這本書並非嚴謹的學術著作，僅為讀者提供一個瞭解物理學的新視角，希望能夠給喜愛物理學的同學們帶來啟發。

《一隻大象》李春生 著

李春生，湖北老河口人，現居廣州。理論物理學愛好者。著有《一隻大象——體系與體系的對話》。