Page 19 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

根据光速的不变性和极限性，我们可以把真空中的光速 c 定义为物质运动的绝对速度。本书
后面凡是提及绝对速度，均指真空中的光速 c。
最早测定光速的人是伽利略。在此之前，人们以为光速为无限大，伽利略对此提出怀疑，
并试图通过实验来验证他的设想。他让两个助手在距离很远的两个山头互相用灯光传递信
号，希望通过信号传递的时间差来测定光速，但最终没有成功。1675 年，丹麦天文学家雷
默（Olaus Roemer）利用木星卫星的星蚀时间变化，第一次定量的估计出光速，由于当时只
知道地球轨道半径的近似值，故得出的光速为 214300 公里/秒。18 世纪初，人们用照相方法
测量木星卫星蚀的时间，并在地球轨道半径测量准确度提高后，用雷默的方法求得光速约为
299840 公里/秒，这已十分接近现在国际推荐值。1849 年，法国物理学家斐佐用旋转齿轮法
首次在地面试验室中成功地进行了光速测量，得到的光速值为 314850 公里/秒。1862 年，法
国实验物理学家傅科（L.Foucault）用旋转镜法测得光速为 298000 公里/秒。1926 年，美国
物理学家迈克尔孙改进了傅科的实验，测得 c = 299796 千米/秒。1972 年，美国的 K.M.埃文
森等人直接测量激光频率和真空中的波长，通过计算得 c = 299792458 米/秒。1975 年第 15

届国际计量大会确认将这一光速值作为国际推荐值使用。
由此可知，天文学家早在 18 世纪初就得到了相当精确的光速值。相比之下，物理学家
对光的本质的认识则要曲折得多。在长期的探索和争论中逐渐形成了两种相互对立的理论，
即光的微粒学说和光的波动学说。光微粒说的早期代表人物是牛顿。当时人们认为光能够在
空无一物的真空中传播，而任何波的传播都必须有传播介质，因此推断，光应当是微粒，而
不是波。牛顿用光微粒的惯性运动很容易地解释了光的直线传播现象，但用光微粒的机械运
动解释光的反射和折射现象则有点牵强，对于实验中相继发现的光的干涉、衍射和偏振等现
象，微粒说则完全无法给出令人信服的解释。
光波动说的早期代表人物是惠更斯，他根据光的独立传播原理认为，光不可能是微粒子
流，如果光是微粒子流，那么从不同的方向射向同一点的光线就不可能相互独立地穿过。他
注意到光的这一性质与声波相似，从而提出了光本性的波动学说。他从机械波的观点出发，
接受了笛卡儿的“以太”学说，认为宇宙间（包括物体内部）充满了以太这种弹性介质，光
源在以太中产生一个扰动后，以太的振动传播过程就形成了光波。惠更斯用光的波动说成功
地解释了光的反射、折射和晶体的双折射现象。尽管如此，由于牛顿在科学界拥有巨大的权
威，光的微粒说在整个 18 世纪占据着统治地位，光的波动说几乎停滞了一个世纪之久。
19 世纪初，托马斯·杨（T.Young）用干涉原理令人满意地解释了白光照射下薄膜颜色的
由来和用双缝显示了光的干涉现象，第一次成功地测定了光的波长，并提出了光是一种横波
的假设。菲涅耳（A.J.Frenel）进一步完善了杨的观点并导出了菲涅耳公式。光的波动说在
解释光的干涉、衍射、偏振等现象时获得了巨大的成功，从而确定了波动理论的牢固地位。
在此期间，电磁学得到了迅速发展。1846 年法拉第（Faraday）发现了光的振动面在磁场中
发生旋转，这表明光学现象与磁学现象之间存在内在联系。19 世纪中叶，麦克斯韦导出了
电磁场所遵从的波动方程，从理论上预言了电磁波的存在，并证明了电磁波的横波性。麦克
斯韦根据它的理论计算出电磁波在空气中的传播速度为 310740 公里/秒，他发现这个数值非
常接近于斐佐 1849 年测得的光速值，以此为依据，麦克斯韦认为光波是一种电磁波。1888

年，赫兹（H.R.Hertz）用实验直接产生和探测到了电磁波，测出电磁波的波长和频率，并
由此计算了电磁波的传播速度与光速相同。后来的实验又证明，红外线、紫外线和 X 射线
都是电磁波，它们彼此之间的区别只是波长不同而已，而光波只是电磁波谱中一个很小的区
间，即可见光。光的电磁波理论以大量无可辩驳的事实赢得了普遍的公认，但是，光的传播
媒介仍然是以太，只不过用电磁以太替代了机械以太，光或电磁波只是以太振动的一种表现。
尽管 1887 年迈克尔孙-莫雷实验的零结果对以太理论提出了质疑，但真正促使人们抛弃以太
概念的是狭义相对论的建立。1905 年，爱因斯坦的狭义相对论圆满地解释了运动物体的光

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