相对论2~英雄与危机
物理学这个学科的一个特点是有太多的英雄人物。如果你不理解他们都干了什么，对物理学家保持不明觉厉、敬而远之的态度，你完全可以踏踏实实地过好这一生。可是如果你一旦真正理解了这些英雄做的事儿，你可能就再也不愿意老老实实地享受岁月静好了。你可能会“一见杨过误终生”。
在讲爱因斯坦的丰功伟业之前，咱们先说另外一个英雄，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。麦克斯韦统一了电磁学。这个工作有多了不起呢？费曼是这么说的 ——
“从人类历史的长远观点来看……几乎无疑的是，麦克斯韦发现电动力学定律将被判定为19世纪最重要的事件。与这一重要科学事件相比，发生于同一个10年中的美国内战，将褪色而成为只有区域性的意义。”
麦克斯韦干的这件事，可以吹好几辈子。今天我把这个事儿给你讲一讲，我都感觉与有荣焉。你如果能把这个工作给听懂，你也会有一种自豪感。
这件事直接导致了爱因斯坦相对论的创立。整个过程好像是一个奇幻电影。一开始大家本来过着寻常的日子，突然就有人弄了个大事件。因为这个大事件，人们就意识到这个世界有点不太对。你抓住这一点点不对，仔细追究下去，你就打开一扇大门。这扇大门一打开，寻常的日子就不存在了，影片从此进入奇幻世界……然后你就期待续集吧。
咱们先从寻常的物理现象说起。
1.一点电磁学
我们在生活中能接触到的物理现象其实就那么几种。你搬运东西、测量一个什么运动的速度，那是力学；你能看到周围的事物，欣赏各种颜色，那是光学；你家里的一切家用电器，几乎都来自电磁学。
电磁学并不神秘。什么是电呢？电就是电荷之间的相互作用。电子带负电，离子带正电，电子跟离子之间就有一个吸引力，而两个电子或者两个离子之间就有一个排斥力，也就是同性相斥，异性相吸。
那什么是磁呢？磁来源于电，是电荷的运动产生磁。一段导体中有电流，它周围就会有磁性。像我们平时看到的磁铁，也无非就是其中原子排列的很整齐，每个原子周围电子的运动带来的磁力。
而如果用物理学家的眼光理解电磁现象，你必须得掌握一个概念，叫做“场”。
两个电荷之间发生吸引，请问这个吸引力是怎么感觉到的呢？难道一个电荷*隔空*就能感到另一个电荷的存在吗？这里边可没有什么“超距作用”。每个电荷都会在自己的周围形成一个“电场”，另一个电荷不是跟这个电荷直接发生相互作用，而是跟这个电荷的电场发生相互作用 ——
图中那些带箭头的曲线就是电场的形状和走向。类似地，磁力，其实也是以“磁场”的形式在周围空间存在 ——
图片来自 electricalacademia.com
确切地说，是所有的电场和磁场重叠在一起，形成一个总的电磁场，然后各个带电物质根据自己所在位置的电磁场来决定自己怎么运动。
电磁场可不是物理学家的想象，而是客观存在的东西，你完全可以用仪器探测出来。我记得爱因斯坦曾经有一句话说，“场，就好像我坐的这把椅子一样真实。”当然现在有些神神叨叨的人说气功高手能体察到“能量场”、名人的周围有“气场”，那些“场”就不是电磁场了。
好，现在麦克斯韦出场。
2.麦克斯韦的壮举
麦克斯韦之前的物理学家已经对电磁现象做过各种研究。特别是法拉第，在实验室里发现，变化的磁场能够带来一个电流，也就是说“磁能生电”。像这些电磁现象都很有意思，你完全可以编写一本书，列举科学家已有的电磁学知识 —— 但是这些知识有点杂乱无章，就好像一本写满了各地风土人情的菜谱。
麦克斯韦要做的事情，有点像是一位好学的武林高手，博采众家之长，融会贯通之后，创立了自己的武学。
这门学问不但是一统江湖，而且还推演出一些前人根本没想到过的新物理来。
1860年代初期，麦克斯韦提出一组总共四个方程，来描写*所有的*电磁现象。这就是著名的麦克斯韦方程组，它们写出来非常漂亮 ——
前三个方程分别说的是（1）电荷产生电场；（2）没有磁荷；（3）变化的磁场也能产生电场。第（4）个方程右边的第一项说的是电流产生磁场，所有这些都是当时已知的物理知识。
我们重点说说它的第二项。这一项就是麦克斯韦的独特发现。一方面，是麦克斯韦考虑电和磁之间应该有一个对偶的关系。那既然法拉第的实验证明变化的磁场能产生电场，变化的电场是不是也能产生磁场呢？另一方面，这一项也是让方程组在数学上自洽、让电荷数守恒的要求。这一项，就是说变化的电场也能产生磁场。
后来人们用实验证明麦克斯韦是对的。但是请注意，麦克斯韦这个发现纯粹是理论推导出来的！这就好比说一个侦探，听取了各方的信息之后突然就推断出来一个人们意想不到的结论。而麦克斯韦用的仅仅是数学。
好，现在麦克斯韦知道 ——
* 变化的磁场能产生电场
* 变化的电场又能产生磁场
那首先你就能看出来，电和磁其实在某种程度上是“一回事儿”，电场和磁场可以互相产生，就算没有电荷，用磁场也能产生电场。
但麦克斯韦紧接着想到，如果我用线圈弄一个震荡的电流，产生一个周期变化的磁场，那么这个周期变化磁场就能产生一个周期变化的电场，而这个周期变化的电场又能产生新的周期变化的磁场……以此类推，岂不是说这个电磁场可以一直传播下去吗？
这就是电磁波！二十多年以后人们真的在实验中制造了电磁波，给后世生活带来巨大的影响，不过麦克斯韦在意的不是电磁波的实用价值。
图片来自 http://toutiao.sanhao.com/news-detail-23997.html
麦克斯韦可以用他的方程组直接计算这个电磁波的传播速度。他算出来电磁波速度，发现跟光速，它们的数值是一样的！
光是有速度的。你打开一盏灯，光线不会瞬间传播到宇宙的另一头去。当时的人已经在实验中测量了光速。而且早在1801年人们就已经知道光是一种波。但是人们并不知道光到底是怎么回事。
而现在麦克斯韦计算得出的电磁波的速度正好是光速，于是麦克斯韦大胆宣称，光，其实就是电磁波。后来人们证实果然是这样，我们平时所见的可见光无非就是特定频率的电磁波而已。
这是物理学家再一次看破了红尘。天上的东西和地上是一回事儿，匀速直线运动和静止是一回事，电和磁是一回事儿，而现在麦克斯韦说，光跟电磁场，其实也是一回事儿。
这么一来，物理学的逻辑结构就变得更简单了。牛顿力学加上麦克斯韦电磁学，身边的一切物理现象等于是都被理解了。这绝对是英雄的壮举。
但是这个成就里边有一个危机。
3.危机
咱们先捋一捋麦克斯韦的发现 ——
1. 他用四个方程概括了所有电磁现象；
2. 他发现变化的电磁场可以互相产生，从而推导出电磁波；
3. 他计算出电磁波的速度正好是光速，从而说明光其实就是电磁波。
现在我们知道了，光速，是电磁现象所要求的结果，是可以用数学计算出来的。
那好。请问，你麦克斯韦计算出来的这个光速，是*相对于*谁的呢？
从逻辑角度，你不能脱离坐标系（或者叫“参照系”）谈速度。
比如说，你站在一艘快速行驶的船上，船的速度是每小时50公里。你在船上射出去一支箭，你平时射箭的速度是每小时100公里，那这个“每小时100公里”就是相对于船上的你来说的。
而相对于站在岸边的我来说，箭的速度就应该是每小时 50+100 = 150公里，对吧？速度都是相对的。
那麦克斯韦方程组解出来的光速是相对于谁呢？这个问题可以有两种答案。
老百姓的直觉是，光速肯定是相对于光源的。你打开手电筒射出去一束光，那这个光速肯定是相对于手电筒啊 —— 但是这个说法很快就被物理学家给否定了。
宇宙中有一种“双星系统”，就是两个临近的恒星互相绕着对方旋转，谁也离不开谁。从我们这里观察，就总有一颗恒星在向着我们运动，另外一个恒星向着我们相反的方向运动 ——
两颗中子星的双星系统，图片来自 https://gfycat.com/gifs/detail/crazywarmaruanas
如果光速是相对于光源的速度，那么向我们走的这个恒星的光速就应该更快一点，离我们而去的恒星的光速应该更慢一点 ——
图片来自 https://skeptics.stackexchange.com/questions/9712/evidence-for-the-absolute-speed-of-light
这个速度差异并不大，但是因为双星距离我们十分遥远，星光到达我们需要的时间就很长，这一点点速度差异就足以让我们观察到两颗星的星光有一个延迟。
可是天文学家观测了各种双星系统，从来都没有看到任何延迟。两个恒星的光速始终都是一样的！
这说明光速跟光源的速度无关。物理学家对此并不感到惊讶，因为电磁波本来就是脱离最早产生它的电荷和电流而独立存在。波，毕竟不是射出去的箭。
物理学家设想，光其实是遍布宇宙空间的某种介质的波动，而光速就是相对于这个介质的速度……可是当时的人万万没想到，这个解释的问题更大。
咱们下一讲再说。
