重新审视西方科学成就、人物与确立中国民族自尊心自信心科普系列：

狭义相对论产生的历史背景 （之一：有关光的几个重要事实）

目录：

1. 基本信息（适用于普通读者）

2. 技术细节（适用于理工科大学生或研究生）

3. 思考与探索（适用于已有理论基础的钻研者或专家）

    

   一、基本信息

   如所周知，光的概念在狭义相对论中占据着一个非常独特的地位，这是因为该理论不仅把光在真空中的传播速度升格为一个普适的物理规律，把它叫做光速常数原理（公设），而且这个真空中的光速数值又被假定为宇宙中所有运动物体的速度上限；然而更奇特的却是，任何运动速度与光速的叠加并非简单地归结为我们所熟知的二者的代数和，而是无一例外地仍然是这个假定的光速常数自身（注1）。于是，认识光的特性或可成为解开狭义相对论秘密的关键。

    

   表面上，光是人类非常熟悉且司空见惯的一种现象，但其实对它的专门科学研究与认识却是最近几个世纪才开始的事情；以下简单列举在1905年狭义相对论问世之前有关光的几个重大科学发现：

    

   在光的波动性质被确立之前，物理学家如牛顿（Isaac Newton）等曾相信光是一种物质粒子（corpuscles），其理由是光的反射与折射现象只能由粒子而不是波动来解释，因为他认为粒子可以直线前进但波却不能；但是随着惠更斯（Christiaan Huygens）的波前理论（wave-front theory）以及杨（Thomas Young）的有关光的干涉、衍射等实验的成功，光的波动理论最终占了上风并得以确立。

    

   基于对木星的几个卫星尤其是木卫“艾奥”（Io）的月食观测数据，罗默（Ole Rømer）于1676年第一次推断出光在真空中的传播速度其实并非无穷，而是一个有限值，其根据为，当地球趋向于木星运动时所观察到的前后两次月食之间的时间间隔总是比它背离木星运动时所观测到的时间间隔明显要短，而在光的传播速度为无穷的条件下，这种情况显然是不会或没有理由发生的。根据他的观测数据，来自于“艾奥”的光线穿越相当于地球饶日轨道直径那样大小的距离所用的时间大约为22分钟，虽然据此所估算出的光速数值与当今所知的真实光速还存在较大的偏差（注2），但是从无穷光速的假设或对光速几乎完全未知的状态再到一个有观测依据的有限光速数值，这已经是一个巨大的科学进步。

    

   1727年，布拉德雷（James Bradley）通过天文观测发现，在一年四季之间，远处的恒星被观测到的位置与其实际位置是有周期性偏差的，这样的偏差叫做星光的光行差现象。布拉德雷于1729年给出的光行差现象的解释为，由于在星光朝向地球传播的过程中，地球自身也有着与入射光线相垂直的运动分量，这个垂直速度分量的大小与有限的光速数值的比值便决定了光行差角度的大小（注3a）；据此可知，一年四季之中光行差效应的最大值可达20.5’’（注3b）。

    

   1865年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出，光在本质上是由交互感应的电场与磁场所构成的电磁波，由于电感应与磁感应的有机融合可以直接导致电磁波理论以及它传播时所服从的波动方程（注4），从而麦氏第一次在理论上圆满解决了光的精确传播速度问题（注5）。

    

   而后，赫兹（Heinrich Hertz）在1886至1889年之间成功地进行了一系列的电磁波的发生与接受实验，从而奠定了麦克斯韦电磁理论的严格实验基础；于是光的电磁波本质便得以彻底确认。

    

   至此，人类对光的认识好像有理由告一段落了；但是，既然光是一种波动，那么它不是应该像其它所有的波动如水波、声波等一样具有传播媒介吗？然而对光的传播媒介的探寻事实上并非是一个轻松的故事。

    

   下一篇：物理学家对光媒介“以太”的苦苦追寻。

    

   主要参考文献：

   【Newton1704】，【Huygens1690】，【Young1801】，【Rømer1676】，【Bradley1729】，【Maxwell1865】，【Hertz1887】，【Hertz1888】