在现代科学的疆域中,存在着一种神秘的现象。当子弹飞越其上,它仿佛拥有透明的性质,让弹丸毫无阻拦地穿透;然而,当同样的子弹再次冲击,却仿佛遭遇铜墙铁壁,被坚硬地反弹回来。何以一个物体能展现出如此截然不同的两种属性?与此相似,自然界之广袤,又何以会孕育出形态各异、性质相反的种种存在?在面对变化莫测的世界时,我们该如何理清纷乱的线索,探知其背后的真谛?
在经典力学的范畴内,科学家们曾面临两组相互抵触的实验结果,即双星实验和迈克尔逊-莫雷实验。在浩瀚的宇宙间,不同于太阳系的孤寂,双星系统广泛分布。这源于星云在收缩时,两个主要的质量中心的形成。围绕共同的质量中心,两颗星体互相旋转。若二者质量悬殊,则质量中心偏向质量较大的一颗星。于是,较轻的星体绕着较重的星体旋转,仿若地球围绕太阳。与众不同的是,此处的“地球”会发光,使我们得以观察其运动。甚至,在质量中心的那颗大质量星体可能是白矮星或黑洞,我们所见的只是一颗孤独的星体绕轴自转。奇异的是,那颗星的光谱,时而呈现红色移位,时而蓝色,何以如此?
由于光具有多普勒频移的性质,星光频率的周期性变化表明,那颗星正周期性地靠近或远离我们。也就是说,它正在围绕某个中心公转。
正如宇宙是一个有机的整体,由物质和空间这两大元素构建,不存在孤立和完全自由的物体。任何物体的能量都有两种表现形式:一是相对于自身运动的动能,由速度来度量;二是相对于空间的势能,由弛豫时间(频率的倒数)来度量。
光子的特殊之处在于,它的质量极小,因而其能量的变化主要表现在空间势能上,通过弛豫时间反映出来。因此,光速实际上是光子维持其空间势能的运动速度,反映出它相对于空间的恒定性。
如此,当光子离开星体时,它经历了从以速度c相对星体运动到以速度c相对空间运动的转变。这一过程中的动能增减,会由光子的势能调节,表现为频率的改变。这便是光谱移动的奥秘所在。
由此,我们可以推断出,星体之所以有节奏地频率变化,是因为它正围绕另一颗星体运动。这进一步证明了光速不变原理,即光速与光源无关,仅与空间有关。
与此相映成趣的是迈克尔逊-莫雷实验。实验起初是为了验证地球是否拖拽以太空间。以太被认为是与物质不同的独立存在,是光线传播的媒介。实验若发现周期性干涉条纹的移动,则表明地球在以太空间进行绝对运动;若实验结果为零,则表明地球拖带着以太空间同步运动。
然而,实验结果并未观测到干涉条纹的移动。于是有人推断,以太空间随地球运动。然而,这一结论为时尚早,因为地球不可能拖拽整个空间运动。一旦离开地面,以太空间会逐渐摆脱地球的束缚,产生以太风。
于是,科学家们将实验设备搬至高山,期望能因远离地面而观测到光的干涉条纹变化。但遗憾的是,他们仍未观察到任何变化。于是,经典力学的以太观点陷入困境,以太空间既不随地球运动,也没有发现以太风的存在。人们由此推断,光速仅与光源有关,与空间无关。
如此,就像本文开篇提及的神秘装置,光速亦展现出矛盾的现象。在双星实验中,光速与空间有关而与光源无关;在迈克尔逊-莫雷实验中,光速与光源有关而与空间无关。同样的宇宙,同样的光,为何展现出截然不同的现象?
对此,有归纳法与演绎法两种处理方式。归纳法从多个现象中寻找共性规律,并将其应用于整个宇宙;演绎法则是构建具体的物理机制,使不同现象成为该机制在不同极限条件下的表现。
以神秘装置为例,用归纳法,我们可提出原理,规定该装置既具可入性又具不可入性,从而消解矛盾,但留下装置为何同时具有相反性质的更大谜团。演绎法则假设装置为电扇,其性质取决于子弹与扇叶速度比:比值大于1时具可入性,比值小于1时具不可入性。通过具体机制将不同现象分隔在不同条件下,化解矛盾。
面对矛盾现象,有人会说必定用演绎法化解矛盾,而归纳法只是徒劳。然而,构建合适的物理机制需充足信息,演绎法应用前,需先用归纳法找出现象间的外在联系。
对于光速变化的矛盾,爱因斯坦便用归纳法解决了问题。他提出光速不变原理,认为任何参照系下观测的光速都相同。为确保测量结果为c,不得不修改长度和时间的定义。这如同用不同语言讲述同一事件,意义不变。
爱因斯坦建立狭义相对论,揭示物体高速运动时速度受空间限制,不能超光速。这是关于空间效应的唯象型理论,建立了现象间的外在联系。
然而,人类对光速不变的根本原因知之甚少。随着认识的深化,普朗克常数h的存在、微观粒子的波动性,揭示了宇宙由不可再分的量子构成。
根据量子物理机制,我们可以演绎出两个光速实验矛盾结果的原因。光速是光子维持空间势能的速度,相对量子空间不变。受到激发的量子成为光子,运动速度首先服从光源内空间,符合迈克尔逊-莫雷实验;进入外部空间后,光子通过与量子碰撞逐步改变速度,保持其空间速度不变性,表现为光的运动频移,从而过渡到双星实验结果。
因此,我们可以用具体的物理机制化解看似矛盾的现象。我们可以相信,通过对量子及其状态变化的研究,我们能理解宇宙中的各种现象。
尽管双星实验和迈克尔逊-莫雷实验看似矛盾,但通过构建具体的物理机制,我们可以将这些矛盾现象分隔在不同极限条件下,从而获得一个统一的认识。结合量子力学的发展,我们有理由相信,通过量子的物理机制,我们能更深入地解开宇宙的奥秘。