刻舟求剑是我小时候最早知道的成语故事之一,没想到它的“科学版”竟然在现实中上演了120多年,不仅经久不衰,还占据了几乎整个物理学江山,不得不令人叹为观止。
故事要从麦克斯韦说起。麦克斯韦是研究电磁学的,他在1865年发表了他的研究成果。在他的理论中,光被揭示为一种电磁波,并给出了光在真空中速度的计算公式。没想到,这篇论文在物理学界掀起了轩然大波。因为当时人们普遍认为,光是通过真空中一种叫做“以太”的介质来传播的。以太在太空中是静止的。地球在以太中绕太阳运动,地球上理应存在着“以太风”,而以太风会影响光的速度。但按照麦克斯韦的公式,光在真空中的速度是固定的,不受以太风影响。一时间,以太风到底存不存在,光速到底是不是固定的,成了物理学界争论的焦点。
就在这个时候,一位年轻科学家横空出世。他振臂一呼,给出了一个惊天动地的回答:以太风不存在,光速在任何参照系中都相同。这位年轻科学家就是爱因斯坦。他的论文于1905年发表在德国著名物理学学术期刊《物理年鉴》上,后来人们将他的理论称为“相对论”。
光速在任何参照系中都相同的假设,确实解决了以太风与麦克斯韦公式之间的矛盾,但却隐含着一个致命的逻辑问题。设想两束闪电同时击中一辆匀速直线行驶的火车的车头和车尾,分别记为A点和B点。假设路基上A、B之间的中点为M,火车上A、B之间的中点为M'。在闪电发生的瞬间,M和M'重合。这时,两束闪电到M和M'的距离分别相等。如果光速在任何参照系中都相同,那么两束闪电的光应该同时到达M点和M'点。我们知道,两束闪电的光肯定会同时到达路基的中点M;但由于火车在向前行驶,车头闪电的光会先到达火车的中点M'。这样一来,光速在任何参照系中都相同的假设就不成立了。爱因斯坦也意识到了这个矛盾,为了维持光速不变,他提出了另一个革命性的假设:在一个参照系中同时发生的事件,在另一个参照系中不一定同时发生。这就是“同时的相对性”。
随着时间的推移,相对论的一些预测逐步得到“验证”,相对论逐渐成为现代物理学的基石。爱因斯坦被公认为人类历史上最伟大的科学家之一,他的科学成就彻底颠覆了人类对宇宙、时间和空间的认知。而当初爱因斯坦为了维持光速不变而提出的“同时的相对性”,也成为他最重要的创举之一。
故事到这里就结束了。各位可能纳闷儿,刻舟求剑在哪里呢?你看,M’—那个在火车上随车移动的中点—像不像那个楚国人在船上刻下的记号呢?