微观世界与直观世界的分别，不仅仅在于波粒二象性与测不准原理，粒子的运动规律也不完全符合牛顿力学的经典理论。这种情形在光子的运动上尤其突出。在19世纪末一些光干涉实验中，人们就观察到光子的运动与经典力学的计算结果并不吻合。其中最有名的实验就是迈克耳逊-莫雷实验（Michelson-Morley experiment）（见图5.2）。

迈克耳逊-莫雷实验原来的设计是为了测量以太（aether）与地球的相对运动。什么是“以太”呢？“以太假说”在19世纪是一种非常流行的理论，许多著名的物理学家都曾经积极地研究它。我们知道，许多类型的激发波都与介质的振动有关。例如，声波是其传播介质（空气、水或固体 ）的振动。大约200年前，科学家已经认识到光是由振荡波构成的，因此他们认为空间里必须有一种传递光波的介质。这种看不见的介质被称为“以太”。有些物理学家甚至认为以太的物理性质有点像弹性固体。20世纪以前，许多著名的物理学家和数学家，包括法拉第（Faraday）、亥姆霍兹（Helmholtz）、麦克斯韦（Maxwell）、斯托克斯（Stokes）、泊松（Poisson）、高斯（Gauss）和黎曼（Riemann）等，都曾积极地参与以太理论的研究。

图5.2　迈克耳逊-莫雷实验

这是19世纪末一个非常有名的实验。当时的物理学界认为，光有一种传播介质，称为“以太”。如果这个理论是对的话，地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必然迎面受到每秒30公里的“以太风”，从而必然对光的传播产生影响。为了验证“以太风”存在与否。一些科学家就利用光的干涉仪来进行实验。迈克耳逊-莫雷实验的基本原理是：如果“以太风”的速度为零时，干涉仪里的两束光应同时到达探测器，因而相位相同；若装置相对以太运动，“以太风”速度不为零，则两束光波到达探测器的时间不同，因此相位也不同。这就会显示一种不同的干涉图像。他们的实验结果显示不论干涉仪与地球运动的方向做任何改变，两束光到达探测器的时间都会相同。因此，这个结果不支持以太风的存在。

19世纪末，人们就开始设计种种的实验去验证以太的存在。其中较著名的就是用一个光的干涉仪去测量以太与地球的相对运动。在这里面，迈克耳逊-莫雷实验是最精确的。迈克耳逊-莫雷实验得出的结果，却非常令人惊讶。不论迈克耳逊和莫雷怎么小心地去进行他们的实验，他们始终量度不到以太与地球的相对运动。他们只能得出一个结论，就是以太并不存在。不但如此，他们还发现了一个非常奇怪的现象，就是光的传播似乎与地球的运动无关。不论光是顺着、反着，还是垂直于地面的运动方向，光的传播速度始终不变。如果把光视作一种运动中的粒子，这种情形与经典力学的预期完全不一样。

图5.3　迈克耳逊（左）　莫雷（右）

这个意外的发现在19世纪末困扰许多科学家。当时一位资深的物理学家洛仑兹（Hendrik Lorentz）对迈克耳逊-莫雷实验的结果提出了一种非常大胆的解释。他提出了一种假说，就是当一个物体在运动时，它的长度可能会变短；而它的时间会变慢。而且，他还导出了一些数学公式来说明一个运动体系与一个静止体系之间的时空坐标是如何变换的。这种变换后来就被称为“洛仑兹变换”（Lorentz transformation）。应用了洛伦兹变换，就可以使得对于光的运动的计算符合迈克耳逊-莫雷实验的结果。

洛伦兹的理论虽然能够解释实验结果，但它有很多人为的假设，道理也非常复杂。人们很难判断他的理论是否合理。

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图5.4　洛伦兹（左）　庞加莱（右）

Hendrik Lorentz，（1853—1928）Henri Poincaré，（1854—1912）。洛伦兹是荷兰的一位著名理论物理学家，他在1902年因为解释原子光谱学的磁效应的工作获得了诺贝尔物理学奖。他所导出的洛伦兹变换是目前应用狭义相对论的必用公式。庞加莱是一位法国的数学家和物理学家。根据杨振宁的说法，他是当时两位最伟大的数学家之一。庞加莱是第一个提出相对性原理的学者。

洛伦兹的理论后来就被另外一个较为简单的理论取代了。19世纪末，许多科学家已经认识到在很多物理现象中，物体的运动规律是相对的。例如，法拉第在早前发现了当人们把一个磁铁插入或者拔出一个线圈的时候，线圈内磁场的改变会导致这个线圈出现一个感应电动势，这种现象称为“电磁感应”。人们发现这个感应电动势只取决于磁铁与线圈的相对运动，而非绝对运动。也就是说，如果比较两种实验情形：（1）让线圈固定，而磁铁运动；（2）让磁铁固定，线圈运动。我们会发现这两种情形所产生的感应电动势是一样的。这种相对性原理引起了当时一位著名的数学家庞加莱 (L.H.Poincaré，1854—1912) 的注意。他对钻研这个问题很有兴趣。事实上，相对性 (relativity) 这一名词的发明者并不是爱因斯坦，而是庞加莱。庞加莱在 1904 年的一次演讲中有这样说^[2]：“根据相对性原则，物理现象的规律应该是同样的，无论是对于固定不动的观察者，或是对于做匀速运动的观察者。这样我们不能，也不可能，辨别我们是否正处于这样一个运动状态。”这一段话清楚地表达了他对于“相对性”这个概念的重视。

图5.5　爱因斯坦

Albert Einstein，（1879—1955）是近代最著名的理论物理学家。他在多个领域做出了重要的贡献，包括光电效应、狭义相对论、广义相对论、统计力学等。他在1921年因为光电效应的工作获得了诺贝尔物理学奖。他在中年以后致力于发展重力与电磁力的统一场论，但没有获得成功。爱因斯坦是一位活跃的社会活动家，在政治和哲学上都很有影响力。他既是一位和平主义者，但又是美国发展原子弹的主要促进者。正是根据他的建议，罗斯福总统才决定成立了美国的原子弹发展计划。但在“第二次世界大战”结束以后，爱因斯坦又成了一位反对核武器竞赛的知名人士。

在庞加莱发表讲演一年以后，一位年轻的学者爱因斯坦在《物理年鉴》（Annalen der Physik）杂志发表了一篇论文—《论动体的电动力学》（Zur Elektrodynamik bewegter Körper），里面提出了应用相对性原理来解释迈克耳逊-莫雷实验得出的结果。这篇论文用了两个非常简单的假设：（1）在所有惯性系统里面，电磁和光的运动规律都是一样的，这项假设就称为“相对性原理”^[3]；（2）光在真空中的速度都是恒定的。根据这两个假设，爱因斯坦很容易地就导出了洛仑兹变换的数学结果。他这种推导方式比洛伦兹用的简单得多。

爱因斯坦在1905年发表的这篇论文后来成为近代物理的一篇经典之作。这篇文章不但使用非常简洁的推论解决了迈克耳逊-莫雷实验结果带来的困惑，它还提出了一种深刻的哲学概念，就是我们的自然世界的物理规则是相对的，而非绝对的。^[4]

爱因斯坦这篇文章的理论后来被称为“狭义相对论”。它目前被认为是现代物理的两大理论支柱之一，另一个支柱是量子力学。