思考这几个问题很久了，相当景仰这些前辈，可随着有些理解不同，着实困惑，好几篇文章有些混乱，甚至前后不一，于是想进行一次对经典物理到相对论的过程进行一次重新理解之旅。

之所以选择斐索和迈克尔逊为题，是因为我很为这两个人的实验着迷，简单却隐藏了太多奥秘；另一方面，我有很多思考与前辈有些抵触，而我自己并不愿有这些矛盾，我所思的一切均来自他们的研究，也以思考这个实验为乐。

我对物理学史懂得不多，所以思考顺序不一定符合实际历史过程，幸长尾科技的《相对论诞生：爱因斯坦是如何创立狭义相对论的？》一文让我又了解了不少实验和逸事，或许不一定准确，哪怕仅作为思想实验去思考吧！长尾科技最后对这段历程用了自己的哲学思考，我也有我的想法：在这段学习历程中，觉得物理有很多优秀的理解，但有的偏重于数学，我数学不好理解不了，且我期待更多通过物理视角去理解。这也是我为文的目标。

 

一．相对性原理思想实验——伽利略

实验：

一个封闭的船舱，相对水面（或陆地）静止或匀速直线运动，没有涉及重力因素（即无z轴重力条件），此参照系为惯性系，舱内无法判断船舱运动状态。

从相对论的角度看，实验需要满足：参照系位于等势面平移，船舱与水面的相对速度较低。

辨析：包含数学坐标系设定和物理假设。

数学设定对后世思考影响很大，坐标系独立于物理实体存在，建模时根据物理现象，在物理相对性变成数学相对性后，简化了计算，确也模糊了物所必须遵循的理。

数学设定有两个问题：等势面并非坐标系平面，而是曲面，爱氏通过闵氏几何进行了重诠释；坐标系是引力等势条件下的坐标系，是具有引力的弯曲空间。

物理假设：匀速运动无法区分、物理定律在舱内适用。

匀速运动无法区分看似是伽利略思考的结论，但我觉得是其思考的基础，且在低速状态下确实没有问题。如果暂时将地表引力系（我临时构建一个体系，包括主要受地球引力作用的区域，且暂不确定范围）视作静止，类比舱内物体间的相互关系时可视作惯性系。物体在地表引力系中已处于同步状态，故惯性律适用地表体系。

由于舱内物质处于整体运动状态，物质波的传递也符合相对性原理。但由此得到光波也满足相对性原理就有些问题了，对于伽利略而言，光速当时仍是一个极大的未测定值，也不需要去考虑这个问题。

 

二．水桶实验——牛顿

实验：

开始水和桶都是静止的（相对于地表引力系），此时水面是平的；随着水桶的旋转到最后，水和桶都在运动，水与桶之间仍没有相对运动，但是水面却是凹的。要如何判断水是否在做真正的转动呢？水相对什么转动时才是真正的转动？或换个角度，你觉得一开始的水没有真正的转动，那真的有某物是处在绝对的无转动状态么？水井里的水是真正的无转动么？地球在自转，会带着水井里的水一起转动。同理，太阳、银河系等都不可能是真正的无转动。

牛顿认为，我们必须假设一种自身特性与一切外在事物无关、处处均匀、永不移动也永不转动的存在，这就是他在《自然哲学的数学原理》里定义的绝对空间。只有相对绝对空间无转动，才是真正的无转动，这时候水面才是平的；如果你相对绝对空间有转动，即便你们之间没有相对转动，水面凹的。

相反的观点：

亚里士多德：不存在绝对空间，空间只不过是物体的空间秩序。如果没有物体以及物体间的相互关系，空间就根本不存在，一个“空无一物”的绝对空间是没有任何意义的。但牛顿会说在空无一物的虚空里，绝对空间依然存在。

马赫：如果水相对整个宇宙背景无转动，水面是平的；如果水相对整个宇宙背景有转动，水面是凹的。当马赫把水相对整个宇宙背景是否转动作为判断标准时，他其实是在认为：宇宙中所有物质与水的相互作用，决定了水面是否会凹下去。而其它物质与水的相互作用，则属于可观测的物理学内容。

辨析：这个小实验涉及经典相对性的适用范围、空间的概念，以小见大。

从地表引力系看好理解，但从水与桶的相对坐标系出现了问题，这是由于这是一个旋转体系，不是匀速平移，桶与水间有相互间有力的作用——桶对水有向心约束作用。故不适用于经典相对性原则，但可以通过计算形成一个有关联的参照系。

我想说的是可以将地表引力系视作最简参照系，无需与整个宇宙相关，也无需构造一个绝对空间。如果地球引力消失，水面不会有凹凸面，而在张力作用下呈球体，这至少表明地表引力占有绝对的优势（这也是我构建地表引力体系的依据之一）。

但为什么没有人愿意将地表引力系视作当然（包括我）？因为从前亚里士多德起，人们便构建了一个空间体系（似乎更类似于数学的空间），万物均在其中运动，亚里士多德无物无空间更近于数学，牛顿则是将数学体系视作一种存在，马赫所说其实与牛顿无异，只是认为万物间有联系，而非一物置于某空间下。

且人们逐渐熟悉了地球并非宇宙的中心，如果构建一个地表引力系，将置宇宙的坐标系于极度混乱。这个实验确实不能证明绝对坐标系，也无法确认地表引力系，只能看到地表引力系是一个相对简单的参照系。且我们在这样一个相对稳定的、以地心为主导向的引力体系下，才能构建水桶现象的理论。

 

三．光行差实验之附属实验——阿拉果

实验：

人们易确认物质波的介质条件，光也是一种波，光的介质过去被称为以太。为辨析以太的性质，前辈们花了很多功夫，比如:光能从遥远的星系穿过太空来到地球，那太空中就应该充满了以太；光在以太中衰减很少，天体可以毫无阻力地穿过它，那以太就应该非常稀薄；因为光是横波，那又对以太有某种物理性质的限制……

虽无法直接观测以太，科学家们认为如果我们相对以太运动，按理说也能感受到“以太风”。阿拉果生活的时代人们认为：光在以太中运动，观测的镜面在以太中流动，那么，光在玻璃中的速度就应该是这两个速度的叠加。而速度又是一个矢量，光在玻璃中的速度就还跟这两个速度的夹角有关。

阿拉果在研究光行差同时（获得了最早的光速值），就转动望远镜，让光线从不同角度进入玻璃。试图通过改变光在玻璃中的速度，进而改变光在玻璃中的折射率，然后通过折射定律观察到这种变化。但他都未能观察到玻璃的折射率有任何变化。

部分曳引假说——根据实验菲涅尔提出：玻璃在以太中运动的时候，它要拖着部分以太跟它一起运动，这部分以太刚好抵消上面那个效应。菲涅尔认为这个比例跟介质的折射率有关，折射率越大，拖曳的以太就越多，具体的曳引系数是1-1/n²。地面的空气折射率约为1，曳引系数等于0，不会拖曳以太；地球本身又是极为多孔的物质，以太可以畅通无阻地流过，地球和以太之间还是有相对运动，这跟光行差也不矛盾。

辨析：

如果以太存在，我们可能无法感知以太：固体并不特别，以太可以如中微子般透过我们，固体、人类的眼睛或设备均不能视作独立于以太之外的存在，更不能将玻璃类物质视为特殊物质，一切都是多孔的世界，如果能透过地球就能透过或除黑洞、中子星外的一切物质。但我们期望通过光波感知与“以太”（绝对空间）的相对运动，这样就能得到以太坐标系。

对于阿拉果的光行差实验，我虽然有些困惑于将光波关系类比为运动与雨水间的叠加效应，仍承认这是一个成功的计算。但解释并不一定合理，将地表视为界面、或直接将观测设备（玻璃）视为独立于地球却可观测以太的工具是不合理的假设，隐含的地表与太空之间的运动关系由此被默默接受；玻璃似乎有的奇特能力也没有得到有效的反思，当然后人并没有将折射率原理与之相关联。

我的理解：地球体系在空间的运动确实导致了光行差，但这一相互关系并不一定在地表，这个界面问题在迈克尔逊-莫雷干涉实验中也存在。当地球作为一个相对稳定的空间系，与所在空间为何不可存在一定缓冲空间，在通过缓冲的空间时光线改变了其原有的方向，是以在地表测到的是已改变了路径的光波。这或许还可以部分通过引力弯曲来进行解释。

 

四．流水干涉实验——斐索

实验：

菲涅尔认为透明介质会部分拖曳以太，而通过大量实验表明无法通过一阶光学实验区分一个参考系相对以太的运动关系。

这些实验中最杰出的实验是斐索流水试验。这个实验高明的测出了介质（光不需要水作为其介质，但水可以成为其介质环境）对光产生的影响，且对菲涅尔的假说有一定支持作用。但一定要注意到实验成果里的v的速度为流水速度，斐索和菲涅尔的解释是透明介质能曳引以太，可没有涉及地球与以太间的速度。

霍克实验（我一直忽视，也搜不到细节，仅在《物理学史》中看到介绍），结论：用零值法证明了曳引系数不是0，也不是1。这是在相信实验体与以太间存在相对速度的假定基础上得到的，如果作为光介质的以太与观测设备的相对速度为0呢？方程计算中存在另一个解v=0（此时k=1），而这个解成立，对斐索流水试验的解释将完全不同，而我相信存在这个解的可能。

洛奇实验：1892年，两块靠得很近（相距1英寸）的大钢圆盘（直径为3英尺）平行地安装在电机的轴上，高速旋转（转速达4000转/分）。洛奇写道：“以太被转盘携带的速度不大于转盘的1/800”。洛奇的钢盘实验结果导致人们对斯托克斯的完全曳引假说失去了信心。这是对曳引效应的又一次尝试，在相信曳引可能的情况下，期待金属盘的转动可以带动邻近的以太旋转，实验以未观测到明显改变结束。

辨析：这几个实验都为验证曳引可能而努力，我觉得构思很好，却很困惑于其解释，我期望能更好的分析理解之。

1. 斐索在分析实验时，他应是相信以太在透明介质中曳引，实验表明：具曳引“能力”的流水对光的运动产生了影响。而我们若仔细分析光在透明介质（包括空气）中的速度的改变，透明介质并不具什么魔法，透明介质只是原子的组合能透过光波，与所谓固体的地球、气体的大气层并没有本质上的区别，难道不应该相信他们都能改变“以太”吗？那流水改变的是什么，使之体现出新的效应呢？

2. 霍克实验似乎期望找到斐索忘却的以太风的问题，霍克先设定了存在地球（地表）与以太间的相对速度（-v）后进行实验分析，在等式两端求解时忘记了其实v可以为0。若v=0则为完全曳引，也就不必修正斐索的计算，也就表示这些实验均处于地表稳定空间内，以太将与地表同步。可霍克不会理解——地球的旋转还能曳引以太？

3. 洛奇实验：是为了证明曳引的存在，可实验方法无法用来探究完全曳引可能，金属盘怎可能完全曳引周边空间呢！设洛奇转盘是高密度的透光体，直径约0.91m则光通过的时间约6E-9s（n取2时），透过时转动的弧长约1.1nm，即圆盘最外围的转动约铁原子间距的4倍左右，要考虑到这是一个空旷的世界，光波进入如入无物之地，如果能干扰以太也是近原子核才能做到的。当然如果真的有这样一个透明介质，以干涉精度亦能被测出的，可洛奇实验中间距是3英寸约76000nm。我认为这个实验需要的精度是原子级，如此大的间距我不认为能观测到曳引现象。

4. 针对这三个实验的分析，我认为未确认以太的存在与否。物质世界其实都是很空旷的，原子核与微小的电子在其中不断运动，这个空间称之为某个名字都可以，以太也一样。这种空旷并不与空气中、外太空有本质上的差距，以太如果可以被曳引，那将以更复杂的面目出现，而不只是穿越了之，更不可能区别对待之以是否透光。

洛奇设计虽巧妙，其间距不能达到可观测的干扰现象，其转动速度也会受制于材料和工程能力，这个实验基本是无效的；霍克实验忘却了稳定的空间与以太的可能关系，如果以太被近完全曳引，任一实验均不能产生可观测的明显效应；斐索流水实验让我们看到光的非真空介质会曳引光波产生明显效应，也许我们想了解到真空介质（以太）的效应，但至少我们可以看到流水对光波的影响，那近地表的大气也有可能，透明的地球更有可能，不透明的地球也必然带动了或可称之为以太的存在的改变，而且应比流水更明显，要注意到流水是在这个稳定空间下的流动，速度亦相当小，这与地球状态相比是一个极小的变参量。

 

五．双光束干涉实验——迈克尔逊&莫雷

实验：

迈克尔逊1881年做了一次实验，在1887年又跟莫雷做了一次说服力更强的实验。迈克尔逊和莫雷认为地球存在“以太风”，所以他们让一束光与以太风平行，另一束跟它垂直，垂直的这束光要考虑与以太风速度的叠加；他们将仪器旋转90度之后又做了一次。实验结果：旋转90度以后，干涉条纹没有发生明显变化，就像压根就没有以太风似的。

我以前读过一个逸事：迈克尔逊为了不干扰以太，把实验放在没有四周墙壁的环境下。后来好像还有人在各种的环境下进行了实验，但都仍在我们的地球上，这个不断旋转并移动的地球上。

辨析：

实验是为了验证部分曳引假说，菲涅尔认为以太在真空中是静止的（同步的），地球相对于真空是运动的，是以在静止以太中穿梭时会感觉到以太风。注意：如果将以太作为一个物理的空间系统，真空区域是其中的不动部分，而有人说菲涅尔认为真空是没有物理实在的存在，是无，这成为一个矛盾体。根据迈克尔逊-莫雷实验的近零结果，我们最容易、最自然想到的结论是什么呢：地球会拖着附近的以太跟着它一起运动，就像粘性流体那样。

洛伦兹从电磁理论导出了菲涅尔的部分曳引系数，经过长时间的思考，他又想出了一个解释：采用数学技巧把运动参考系的现象转化到绝对静止的以太参考系里来处理。洛伦兹还把以太和有质量的物质做了严格的区分，并拒绝对以太的力学性质做任何假设：它是完全静止的，没有任何力学性质，与其它有质量物质不一样，以太在这里真的被视为“无”了。

洛伦兹长度收缩假说：沿着以太风方向的干涉仪的长度会变短，认为仪器分子间的作用力也会受以太影响，以太运动时，分子间的距离是有可能减少的；引入地方时（local time）概念。洛伦兹认为长度收缩是一种动力学性质，他认为物体分子间的距离是真真实实地发生了收缩；在爱氏的狭义相对论里的尺缩效应则是一种纯粹的运动学效应，没有什么力把物体压缩了。

洛伦兹的以太确实已经没有了实质的含义，成为了一个绝对坐标系，他的收缩理论只是用物理去解释了数学推导，当爱氏将之视为运动效应，则成为一种观测，无怪我一直觉得那会适用于测量上。

重分析双光束干涉实验，我以为至少证明了光速不受地表相对太阳坐标系运动的影响。当时科学界认为设备与以太有相对速度，从他们的思考角度看，地表似乎可以作为界面，可固体与气体并没有什么区别，只是空隙大小一点而已，一堵墙并不会改变多少；斐索的实验中部分曳引的介质仅只是水亦能得到可观测效应；而地球的曳引效应至少远强于水，而不是相反。

流水（透明介质）并不比空气或固体更特殊，他们均位于地表引力系，保持在水当中的“以太”一样可以保持在地球中，甚至转动的地球也带动着“以太”不断的旋转，这是我对这几个实验的思考：即一个近完全曳引的空间，至于原因，则需要等到爱氏的曲率空间，只是爱氏直接否定了这种曳引，或者无视这种曳引的可能，他抛弃了以太，以太成为了一个可能弯曲的坐标系。

 

六．火车思想实验——爱因斯坦狭义相对论

相对性原理再诠释：

牛顿认为存在绝对空间，通过伽利略变换，可以让牛顿力学的定律在那些相对绝对空间匀速直线运动的参考系里也能保持数学形式不变。

洛伦兹认为存在静止的以太，通过引入地方时和收缩假说，可以让电磁定律在那些相对以太匀速直线运动的参考系里保持数学形式不变。以太系始终是那个最为特殊的参考系，一个没有任何力学性质的纯背景墙式的静止以太，绝对空间是物理的，而洛伦兹的以太更类似于“无”的坐标系。

马赫认为不存在绝对空间，所有相互间做匀速直线运动的惯性系就应该是完全等价的，并没有哪一个更加特殊。物理定律对所有惯性系平权，并不存在一个更加优越的参考系。

爱氏认为牛顿的绝对时空观不可取，他认为“麦克斯韦电动力学应用到运动的物体上时，会引起一些不对称，这种不对称似乎不是现象所固有的”。于是那些被洛伦兹认为只是纯数学技巧的、只是为了通过这种变换方便在以太系处理问题的手段，在爱因斯坦的眼里就有了物理意义。对爱因斯坦来说，每一个惯性系都是同等真实的，一切能观测到的效应，都应该是相对运动造成的。

思想实验1：（摘录自长尾科技文中）

在火车上放一个导体和导线组成的回路，地面上放一块磁铁。火车开动后，火车上的导体就会切割地面磁铁产生的感应电流。当我们分别站在地面（磁体不动导体动）和火车上（导体不动磁体动）参照系看问题时，若认为电磁理论只在以太系中才成立，在其它参考系里是不成立的。因此，他们觉得只有站在地面上的人做的分析才是正确的（地球可与以太系同一吗？）。

另一个例子：火车上有一个静止的电荷，火车系觉得只有电场没有磁场；地面系会觉得这个电荷在动，而运动电荷会产生磁场，所以这里有磁场。电场、磁场这么实实在在的东西，怎能在一个参考系里有，在另一个参考系里又没了呢？

于是有人认为电磁理论不满足相对性原理，它只在某些参考系（比如以太系）成立，在其它参考系是不成立的。爱氏坚信电磁理论也满足相对性原理，那么地面系和火车系看到的现象就必须同等真实，他认为单独的电场和磁场都是相对的，只有电和磁的总和才是客观实在。

他认为试图证实地球相对于“光媒介”运动实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性；应当认为：对于力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学定律也一样适用。

这就是狭义相对论的两大基本假设之一的相对性原理：一切物理定律（包括力学、电磁学、光学）在所有的惯性系里都是等价的，它们的数学形式在所有的惯性系里都相同。

辨析：

实验均位于地表引力系，两个实验仍属于低速的伽利略相对性原理下的参照系。火车和磁铁间可以坐标系可以互换，这是数学坐标系，从物理角度讲火车在引力系中运动，磁铁（地表）坐标系是最简坐标系。为何要区分最简？

在低速运动的世界，从爱氏的相对论观点看可以近似为牛顿经典物理，采用相对性原理也可以满足计算和理解。实验中的火车内的物体是与火车相固定的物体，火车整体的运动是相对于地表及外面的实验对象，无论火车封闭与否，只要外面的磁场可以作用于内，或内部的电场可以感应于外，均代表了火车内的电磁环境发生了改变，无论其作为受体或源。

对于第二个实验，更应分析其内部环境是否改变。如果火车质体会屏闭电场，外在不会有任何反应，无法观测到磁现象；如果质体分享了电场或是与外部相连通的空间状态（如敞开式火车），那电荷则成为了相对地表参照系的运动电荷，而不论其是否与车厢有相对运动。故电场可以看作是在火车内的稳定存在，则要考虑到火车对电场的拖曳能力，这与真空的曳引不完全相同，因为火车内是充满粒子的（电导率应该不止是一个数字，也是一种物理实在），电场会对它们产生效应，而这些效应传递到火车质体上（即使车内是真空，火车质体的效应是相当强的），则其运动状态会与火车相同步。

也许很多人会觉得这是一个思想实验，根本不需要考虑这些末节，但为什么会认定火车内的坐标系是独立的呢？无论相对性原理多么可能是真理，那也不能撇开我们存在于一个相对稳定的地球环境中，并不因为地球在运动，地球就失去了某种程度的主导性，这就是我固执坚持的最简坐标系。

注：电场、磁场是可视为实在，但观察者或介质条件的改变将引起场源或场的变化，这一点是必须得到考虑。

 

思想实验2：（改编自《相对论》）

一个无限长的火车，车两端同时发出光束。在此不采用雷电击中铁轨的原因有两个：光源与火车有距离，无论时间多短，到达火车两端的时间可能不一致，无法用爱氏的观察者坐标系，我们不是上帝，无法看到光路，只有光源和接收者的信号（如果采用特殊材料沿线散射光线，实际仍相当于接收者信号，且应分析这种材料是否有曳引可能），对于火车而言存在车两端接收光线并二次发射的过程，思想实验也要考虑物理可能性；另一个原因是不能解决同时性设定，如何确认雷电同时击中铁轨，那需要在铁轨上两个位置有同类的时钟，但将这个“同时”信息传递给车内观察者也需要满足狭义相对论的要求，那这个同时是否通过狭义相对论修正呢？

若火车两端发出光线时火车中点N重合于铁轨中点M（这个同时也是难以确认的，也对相对性产生依赖，那假设我们通过电路来控制，暂认为电子在电路中的运动未受相对性影响），如何分析其到达时间？对于M观察者，他能同时接收到信号（频率不同），对于N如果从惯性系角度看也应该同时接收到信号；但爱氏觉得从M的角度看N是先后到达，而且从计算角度看到达时间也与M点处不同；从实验角度看这个问题，M观察者无法看到光的进程，能看到的只是到达N处的反应：闪光或N的报告，那就不存在M所能观察的同时性与否。（采用特殊材料的话N观测者的报告也只可以是光路的最终可能，不能出现两种光路，但爱氏可能不认可。）

问题回到N能同时观察到闪光吗？我用之前设定的另一状态来分析。

一个无限长的运动火车，一端发出一束光线用分光镜使其分别沿火车内、车顶表面、车顶上方某个高度同时传递，观测者位于火车内某位置，用三个高度的镜面接收光线，问光线是否同时到达？爱氏的回答应该是同时，一切只与参照系相关，且“静止”地面坐标系如果能看到镜面反射也会测得同时到达。

如果光源处同时发射声波，接收者会在三个不同时间接收到声音讯号，火车内稳定的惯性参照系；车顶高处接受器则处于稳定的大气中（地表系），进行计算时应考虑速度叠加；而近车顶处的讯号应处于两者之间，可能会因为距离车身的距离近而有较明显的拖曳效应。

我以为光波也是一样的，只是要分析的是光的波动介质。高处的光波处于相对稳定的地表系，即最简坐标系；则车内火车坐标系能否直接采用光速c进行计算（光在车内计算值是否应考虑斐索效应），无论光的介质条件是空间、以太、引力子……但至少不应该是“无”或数学意义上的参照系。那火车内是什么状态？