上期我們說了金星上可能有生命的事情，這回我們繼續(xù)說物質的話題。
在兩千多年的時間里，原子一直是哲學家思辨的對象和專利。但是到了二十世紀初，原子成為了科學研究的對象。
經典力學基礎不穩(wěn)
當時的科學家利用200多年前牛頓奠定的基礎建立起了經典力學的框架，用來解釋物質的性質和運動。
可是，理論和實驗之間總是存在著很小的誤差，這個很好理解，因為簡化模型的提出是為了讓理論更加容易理解，而真實的物體和實際的運動情況比簡化模型要復雜很多，這樣一來，誤差的存在就很好理解了。
“理想”這個詞是科學家們簡化現(xiàn)實復雜性的一個手段。理想的原子和分子是完全彈性的點粒子，它們不會變形，也不占用空間中的任何體積。
而在實際情況中，粒子有體積，會變形，考慮到了這些情況，科學家們就能夠完全在經典力學的框架下去考慮現(xiàn)實中的那些非理想的行為了。
英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋
在十九世紀的后幾十年里，有很多證據(jù)表明這一體系的深處存在有很多不對勁的地方，經典力學的根基開始不穩(wěn)固了。
包括愛因斯坦在內的許多物理學家開始懷疑牛頓的絕對時空觀。隨后麥克斯韋提出的電磁波理論對經典力學產生了進一步的沖擊，也許人們的觀念需要作出一些改變了。
比光還亮的麥克斯韋方程組
從1855年到1865年的這10年間，在能夠證明電與磁之間存在極深聯(lián)系的大量令人信服的實驗證據(jù)的基礎上，麥克斯韋發(fā)表了一系列論文，詳細闡述了電動力學理論。這個理論使用電場和磁場兩個概念描述了電和磁的特性，它們既截然不同又緊密相連。
弄清楚了電場和磁場之間的關系，一些很重要的結果就產生了。給電線通電之后，除了產生電流之外，還創(chuàng)造了一個磁場。反過來，磁場發(fā)生變化的時候同樣也會產生電流，這就是電站發(fā)電的原理。麥克斯韋將電場和磁場聯(lián)系在一起，并且解釋了它們之間是如何相互轉換的
麥克斯韋方程組
如果仔細研究麥克斯韋方程，我們就會發(fā)現(xiàn)，這個方程恰好也是描述波運動的方程。在牛頓的《光學》首次發(fā)表之后，越來越多的實驗證據(jù)表明光就是一種波，是電磁輻射的一種。
光在經過一個狹窄的孔洞或是金屬板上的狹縫之后會擴散，發(fā)生衍射的現(xiàn)象，就像海浪穿過防波堤上的一個狹縫之后依然會散開一樣。想要達到這樣的效果，狹縫的大小要接近波的平均波長。
除了衍射現(xiàn)象之外，光還會發(fā)生干涉現(xiàn)象。
雙縫干涉實驗
把光照在并排的兩條狹縫上，就會在這兩條狹縫上分別發(fā)生衍射。衍射后的兩道光會相互碰撞。當兩個波的波峰重合時，就會發(fā)生相長干涉，兩個波的波峰相互疊加，產生一個更強的波峰，當兩個波的波谷相遇時自然會產生一個更深的波谷。而當波峰和波谷相遇時，就會發(fā)生相消干涉。
實驗的結果是一系列被稱為干涉條紋的明暗交替的圖案，其中亮條紋來自相長干涉，暗條紋則來自相消干涉。光在經過兩條狹縫后形成干涉條紋的過程，被稱為雙縫干涉。
事實上，麥克斯韋方程組還可以用來計算電磁波在真空中傳播的速度，其結果就是光速，常用符號c來表示。在1856年的時候，這一結論已深入人心了，光是由電磁波，而非原子組成的。
在抬杠中誕生的相對論
接下來的問題是，既然光是波，那傳播它的介質是什么呢？麥克斯韋認為，光通過充滿整個宇宙的以太來傳播。但是如果假定以太是靜止的，那么理論上它會提供一個參考系，我們可以根據(jù)這個參考系來測量絕對運動。
充斥宇宙空間但又找不到的以太假想圖
以太在哪里？物理學家隨后將注意力轉向了實際問題。
地球自轉的速度是465米每秒。如果靜止的以太確實存在，那么地球就會在以太中穿行。1887年，美國物理學家阿爾伯特·邁克耳遜和愛德華·莫雷開始研究如何測量由此引起的光速差異。結果是被分成兩條路徑上的光速并沒有任何差異。在保證測量精度的情況下，光速是恒定的。
這可能是整個科學史上最為重要的一次結果為“陰性”的實驗。科學家們沒有找到以太存在的證據(jù)！
一些物理學家仍然為實驗結果尋找各種解釋，但是在另一些物理學家看來，這只是在投機取巧，目的僅僅是為了保住“以太”這個概念以及這個概念背后的絕對空間觀。
愛因斯坦無法接受這種修正，在1905年他發(fā)表的5篇論文中的第3篇里，他推翻了靜止以太的概念，繼而推翻了絕對空間的概念。
愛因斯坦只用到了兩個基本原理。
第一個原理是對于以不同的恒定速度相對移動的觀測者來說，所有的物理規(guī)律都是相同的，這就是相對性原理。
無論是在地球上的實驗室里，還是在超音速的飛機上，或者是在宇宙飛船上，只要速度是均勻的，做相同的物理測量，得到的結果都是一樣的。只有在這樣的前提下我們才能將這些物理性質之間的關系稱為“定律”。
第二個原理與光速有關。在牛頓力學中，速度是疊加的。但是光并不遵循這個規(guī)則。通過邁克耳遜–莫雷實驗的結果就可以知道，光總是以相同的速度傳播。
時間與速度的相對關系示意圖
事實證明，時間間隔和距離是由參考系的速度與光速的比值聯(lián)系在一起的。我們可以把空間和時間結合在一起，時間的延緩就可以由距離的收縮來補償，反過來也是一樣的。
這樣我們就得到了一個四維的時空，我們有時也稱之為時空度規(guī)。愛因斯坦在蘇黎世理工學院的數(shù)學老師赫爾曼·閔可夫斯基就發(fā)現(xiàn)了時間和空間結合的一種方式。他認為，獨立的時間和空間的概念注定會消失，取而代之的是一個統(tǒng)一的時空。
這就是愛因斯坦的相對論。
1905年，愛因斯坦發(fā)表了這一理論，在當時，這一理論的簡潔性極為驚人。其中的代數(shù)知識其實并不復雜，但它的影響卻極為深遠。
光有能量嗎？對這個問題的思考誕生了原子彈
愛因斯坦提出相對論之后，又提出了一個增補的附錄，并在里邊設計了一個思想實驗。
他設想了一個物體，比如原子，向相反的兩個方向各放射出一束光，這樣可以保證動量守恒。假設每束光都帶走一半的能量，這樣物體釋放的總能量就是E，隨后愛因斯坦從相對于物體靜止和移動這兩個不同的角度對這一過程進行考察。
結果愛因斯坦推導出，在與物體有相對運動的參考系中的測量結果似乎要略微大一些。不過這一過程應當遵循愛因斯坦的相對性原理，無論在什么參考系下進行測量，能量守恒定律都必須是不變的。那么，在運動參考系中測量到的多出來的這一部分能量是從哪里來的呢？
這兩種參考系唯一的區(qū)別是，一個是靜止的，而另一個則是運動的。因此我們很容易得出，多出來的能量只有一種可能是來源于物體的動能。既然在運動參考系中測得的結果是光束從物體中帶走的能量更高，那么只要物體的動能的測量結果稍低一些，就能保證總能量守恒了。
這樣的話就有兩種可能性。從動能的表達式來看，多出來的能量要么來自物體質量m的變化，要么來自其速度v的變化。但是質量畢竟是物體的一種固有的“基本”性質，這么一看好像用速度的變化來解釋更為合理一些，光束在帶走能量的同時會讓物體減速并失去一部分動能。
但是愛因斯坦可不管什么合理不合理的問題，他在這篇附錄中提出，速度v在這一過程中并沒有發(fā)生變化，也就是說物體不會因為放射出光束而減速。正相反，光束帶走的能量中多出來的這一部分來自物體的質量，其減少的質量為m=E/c^2。
愛因斯坦是這樣總結的：
如果一個物體以輻射的形式放出能量，那么它的質量就會減少E/c2。至于物體所失去的能量是否恰好轉變?yōu)檩椛淠?，在這里顯然是無關緊要的，于是我們被引到了這樣一個更加普遍的結論上來：物體的質量是它所含能量的量度。
其實只需要很簡單地變形一下，我們就能得到這個極具標志性的方程式：E=mc^2。
這就是愛因斯坦對于物質和能量的理解，下一期我們還將跟隨著他的思想，去到更加廣闊的宇宙中，看一看質能與時空是如何形成宇宙的結構的。咱們下周見吧。
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“科學大嘮嗑”是悅讀讀書會新增添的一個欄目，每周更新一次，作者是書友們所熟悉的“牧羊人”張喆老師。他曾組織過我們讀書會開展天文線下活動，也是《時間簡史》、《上帝擲骰子嗎？》的領讀者。對于天文愛好者，此欄目是一個相當大的福利。對天文還未有過了解的書友們，這也是一次增長天文知識的機會。期待張老師下一次更新！
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