第2章 伟大的分歧
三桅帆船在水面飞掠，船上乘客则感觉河水正湍急奔流。
我们从世上走过，却觉得世界正离我们远去。
—哲拉鲁丁·穆罕默德·鲁米（13世纪波斯诗人）
你是否乘过帆舟平稳悠缓地顺流而下？当时的你也许会感觉自己正静止端坐，而两岸的风景、舟下的水流以及头顶的天空则在朝着相反的方向缓缓移动。或者，你曾坐过火车，在火车进站停靠的短暂时间里，你透过窗口往外看去，正巧旁边的另一列火车在轰隆启动，准备驶离出站，此时，你或许会突然感觉自己正在向后移动。在那一刻，你无法判断，正在移动的到底是你所乘坐的火车还是旁边的那列火车。
为了更好地理解这一点，你也可以想象自己正置身于一艘驶往加勒比海的豪华游轮。然而，你觉得，在惬意品味鸡尾酒和大快朵颐之前，得先补充精神上的食粮，拓展自己的思维，所以，你决定报名参加我的一个有关相对论的课程。该课程的授课地点是游轮内部的一间封闭课室。
此时的游轮正以一个固定的速度、朝着一个固定的方向平稳前行，也就是说，游轮正在做匀速直线运动。今天的海面尤为平静，无风无浪，没有外物会扰乱游轮的匀速运动。另外，这间内部课室的四周是没有窗户的，入口和出口也都严实紧闭着。
那么，问题来了：身处这间封闭课室的人有什么方法可以判断，此时游轮究竟是处于静止状态还是处于运动状态呢？
（你可以使用任何你能想到的测量仪器，也可以做任何你想做的实验，但你无法接收一切来自课室之外的讯号或信息，如光线、广播、电话等。该课室业已隔绝一切外部信息。）
这不是一个无足轻重的问题，相反，它一直困扰着伽利略这位伟大的物理学家。他在1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（下文简称《对话》）一书中这样写道：
“把你自己和几个朋友一起关在某艘大船的甲板下的小船舱里，并且在里面放几只苍蝇、蝴蝶和其他一些小型飞行生物；再找一个大缸，盛满水，放几条鱼进去；最后吊起一个装满液体的瓶子，然后在瓶子下面放一个广口容器，让瓶子里的液体一滴一滴地流到容器中。
此时的大船是静止不动的，请仔细观察这些小昆虫是如何以相等的速度在船舱里四散漫飞的，同时，鱼也在水缸里毫无二致地往各个方向潜游，水滴仍在接连不断地滴落到容器里。如果你要扔什么东西给你的朋友，务必确保扔向每个方向的力度与距离保持一致；如果你想在船舱里移动，请使用并脚跳跃的方式，并确保在所有方向上跨越的空间是相同的。
你仔细地观察着这一切⋯⋯然后令大船以任意你指定的速度航行，随后你会发现，只要大船保持匀速运动（且速度不起伏波动），其上所述的这些现象将不会有丝毫改变，而你也无法从它们的行迹中找到任何一丝线索帮助你判断，大船是在移动抑或静止⋯⋯”
换句话说，在密闭房间的内部是无法确定你的（均匀）速度的（物理学家称其为封闭系统），唯一能判定你是否正在运动的方法是通过观察房间外部的事物，比如相对于水流正处于移动状态的大船。
事实上，可从两种角度来看待大船的运动状态：对于站在岸上的观察者来说，大船是运动的；可对于船舱中的观察者来说，大船是静止的，同时，堤岸正在朝相反方向移动。
哪种视角是正确的呢？都正确。匀速运动是相对的，换句话说，不存在绝对的“静止”。
伽利略所言之意是，那些支配着万物运动规律（包括昆虫的飞行、水缸鱼群的游弋、瓶中流水的滴落、物体的抛掷、身体的跳跃等）的物理法则，从两个角度看其实是毫无二致的。这就是伽利略有关匀速运动的种种理论的本质所在。
人们对现实的认知始于经验，也终于经验⋯⋯伽利略意识到了这一点⋯⋯他由此成了现代物理学之父，或者称他为现代科学之父也不为过。
—阿尔伯特·爱因斯坦
现在，我想请你做一个简单的实验。请你保持静立，把容器里的水或其他液体倒进另一个杯子里。液体自然是毫无阻滞地流泻而下，不过你务必确保自己丝毫没有移动。（我常在我的物理课上进行这一奇妙的展示，不过我总是不小心把水洒到衣服上。）
倘若你身处的是一艘巨大到可产生重力的宇宙飞船，而这艘飞船正以相对太阳10.8万千米/小时的速度等速前进，倒水实验的结果是否仍保持不变？
难道离开瓶口的液体不会飞洒溅满四周吗？毕竟你正以10.8万千米/小时的速度移动。
伽利略给出的答案是，不会。
为什么呢？因为你、容器瓶、液体、杯子和飞船的移动速度是相同的。由于所有这些物体和你之间的相对速度为0，所以你好像是静止不动的，而从瓶口倾倒出的液体也会径直落入杯子中。
你仍对这个结论抱有疑问？好吧，倘若我告诉你，你置身的这艘航行速度为10.8万千米/小时的宇宙飞船的名字其实就是“地球”呢？此时此刻，你、容器瓶、液体、杯子和地球正以10.8万千米/小时的速度绕太阳运行 ①。
从某种程度上讲，我们对于静止的感知其实只是一种假象或错觉。是的，相对于地球来说，我们确实是静止的，但地球本身存在自转，同时也在沿着椭圆轨道绕太阳公转。此外，我们、地球、太阳以及太阳系中的万事万物都在以大约78万千米/小时的速度围绕银河系中心运行。
而且，我们和整个银河系正以约51万千米/小时的速度朝着离我们最近的星际邻居（仙女座星系）移动。最后，我们、银河系和仙女座星系又以相对宇宙微波背景（宇宙大爆炸之后散布于宇宙空间的微波辐射）约193万千米/小时的速度在宇宙间穿行。即使我们正同时进行着如此繁多的相对运动，但我们依然认为，我们是静止的。这绝佳地反映了伽利略有关匀速运动的观点。
所以，匀速运动是相对的，它取决于你所取的视角。爱因斯坦深受这种思维方式的影响。据传，有一次，他搭乘火车从瑞士前往巴登-巴登，途中竟询问售票员：“巴登-巴登什么时候到这辆列车？”
在1632年出版的《对话》一书中，伽利略用匀速运动的例子为哥白尼的激进理论进行辩护。哥白尼认为，地球并非静止不动，它和其他行星一起环绕太阳运转。当时的人们对这一革命性的观点抱有极大的怀疑。
“这怎么可能呢？”他们质疑道，“假如地球真的时刻处于运动状态，为什么我们感觉不到？”地球势必正居宇宙中心，且静止不动，不然，地球上的人与物肯定会因地球的运动而被甩离地面。
为了回应这个问题，伽利略指出，所有“静止”于地球表面的事物实际上都在运动，其速度与地球相同。因此，我们无法感受到地球正在运动（就像身处一艘匀速运动的飞船一样）。
⋯⋯不管地球在进行何种运动，对于我们而言（只要我们只着眼于陆地上的事物），它们都是难以察觉的存在，因为作为地球上的定居者，我们总是参与到相同的运动之中。
—伽利略，《对话》
当时的罗马天主教会认为，“地球在运动，且地球不处于世界中心”这一主张有违圣经教义，于是，教皇发出指令，要求伽利略必须前往罗马宗教裁判所接受审判。1633年，10名枢机主教中的7位联席宣判伽利略有罪，罪名是宣扬异端邪说、违背教义。
伽利略被禁止“传播和讲授异端邪说”，也不准许他为此类学说提供任何形式的辩护，彼时已是70岁高龄的他还被判处终身居家监禁。同时，《对话》一书被列入“违禁书籍索引”，直到将近200年后才得以解禁。
据传，伽利略在被迫当众默认自己已摈弃哥白尼学说之后，压低了声音喃喃道：“但它依然在动。”有不少史学家认为，伽利略其实从未说过这样的话，又或者，这些话是之后在私底下向密友吐露的。但我依旧喜欢这个故事，无论其真假。
两艘穿过暗夜的太空飞船
现在请你想象一下，你正驾驶一艘飞船匀速在外太空穿梭。此时，你看到飞船前方遥远处出现了一个小圆点（见图2.1）。
圆点朝你径直而来，你发现那竟是一艘外星飞船。你随即打开船载雷达，对愈来愈近的飞船进行测速。雷达显示，这所外星飞船正以约10 058千米/小时的恒速向你靠拢。
很快，飞船便填满了你的显示屏。外星飞船经过时，你仔细地观察了一番船上的指令长，发现如果不看头顶那两根醒目的突出触须，其实她长得还算别致可爱。
从你的视角看，这段经历会带给你什么样的感受？你也许会觉得，你和你的飞船中的一切事物悬停于太空中，而外星飞船正在朝你接近。
外星人在她的飞船中观察到的又是怎样的情况呢？她感觉自己仿佛凝固在太空中，太空飞船中的所有事物也都是静止的。她观察到你正驾驶着飞船向她移动，而后飞速经过。她感觉你在移动，而她自身是静止不动的。她的船载雷达测量显示，你的飞船速度为10 058千米/小时。
图2.1 在外太空朝你驶来的外星飞船
换句话说，你和外星人观测到了同样的状况。（唯一的不同或许是，你觉得她十分可爱，但她却没有觉得你伶俐可人。）那么，究竟应该以谁的视角为准呢？都可以。因为匀速运动是相对的。
物理学家把这些不同的视角称为参考系或参照物。若以你掌舵的飞船为参考系，外星飞船是运动的；若以外星飞船为参考系，你的飞船是运动的。
参考系是相对论中的一个核心概念，将贯穿本书始终。
你反应过来了吗？一个处于静止状态的物体正在进行匀速运动。在你的参考系中，它是静止的，但在另一位观察者的参考系中，它是运动的。正是这个看似简单的关系，开启了爱因斯坦迈向相对论的伟大征途。
而伽利略对于匀速运动的洞见为这趟探索之旅的第二步—艾萨克·牛顿的运动定律—打下了坚实的基础。牛顿的运动定律始于“惯性”这一概念。
冰上的牛顿
1967年，波士顿。那是隆冬里的一个深夜，我在马萨诸塞大道上驾车往北行驶。路面结满光滑炫目的冰层，十分危险。临近贝肯大街时，路口的交通灯恰好转红，于是我赶忙刹车，没想到车子竟向右打滑，我继续猛踩刹车，但依然刹不住向外滑移的车子。我的双手如老虎钳般紧紧攥住方向盘，心底不住哀号：“天哪！车子怎么还不停下来！”最终，我的淡绿色雪佛兰犹如一艘无人掌舵的船只，径直滑行穿过十字路口，猛地撞上积满雪堆的路肩，一个趔趄，往右侧倾斜着停下了。
在年少莽撞的日子里，我经历了不少如上所述的惊恐时刻，也切身体会了何谓“惯性”。是来自何处的力量将车辆紧缚于路面？是汽车轮胎与道路表面之间的摩擦力。而在摩擦力近似于0的结冰路面上，几乎没有什么可以遏止急转的轮胎，令车子停下。
因此，一旦打滑，车子就会沿着原来的行进方向、以相同的速度（即以匀速）继续前行，直至有外力（猛烈撞进去的雪堆）阻遏—这就是惯性。惯性是物体的一种固有属性：除非有外力（雪堆）作用，迫使物体改变运动状态，否则物体（我的车子）将一直保持匀速直线运动状态。
惯性的概念由来已久。中国哲学家墨子就曾这样说过：“止，以久也，无久之不止。”意思是，运动的停止应归因于反方向的力，若不存在反方向的外力，运动将永远不会停止。10～11世纪伟大的伊斯兰科学家伊本·海塞姆（Ibn al-Haytham）也提出过相似的观点：“物体将永远保持运动状态，除非有（外）力使其停止或变更方向。”
率先在欧洲提出“惯性”概念的是伽利略和笛卡儿（法国科学家、数学家）。事实上，伽利略有关匀速运动的精辟洞见正是基于这一概念阐发的。
大约50年后，艾萨克·牛顿重申：“匀速直线运动是运动的自然状态。”换言之，物体总是“想要”以不变的速度进行直线运动。而且，只要没有外力干扰，它就能“实现愿望”。
牛顿闻名于世的运动理论便由此而生。他提出的三条定律精练简洁，却展示出了无与伦比的强大解释力，在长达两个多世纪的时间里定义了力学这门学科，明确阐释了究竟力是如何影响物体（即实体对象）的。这三则定理的内在逻辑具有自洽一致性，合称为牛顿运动定律。为了防止你想不清楚或从未了解过，现将牛顿的三条运动定律简要列出如下：
（1）牛顿第一运动定律（惯性定律）：一切物体在没有受到力时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。
（2）牛顿第二运动定律：物体加速度的大小与作用力成正比，与物体质量成反比（F=ma），加速度的方向跟作用力的方向相同。
（3）牛顿第三运动定律：相互作用的两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反。
牛顿定律与伽利略格言
假设有两个小孩正在你的车后座上玩抛球游戏，那么，球在车子处于静止状态时的抛掷与车子处于匀速行驶状态时的抛掷是否有所不同？按照伽利略的主张，两者应毫无二致。车内球的抛掷或其他运动行为均遵循相同的物理规律（正如在伽利略的船舱里那样）。因为据伽利略所言，只要无法从车外接受信息，就无从判断车辆究竟是处于静止状态还是处于匀速运动状态。
问题在于，牛顿运动定律是否与伽利略的观点相左？运用牛顿运动定律对抛球运动进行分析预测的结果显示，不管车辆是静止不动抑或匀速前进，小球的运动表现应无不同。非常好—这就意味着，牛顿运动定律与伽利略的理论并不相悖。
为了用数学语言对这一点进行阐述，物理学家创建了伽利略变换。你可以把伽利略变换想象成一台数学自动售货机，只不过投入其中的不是钱币，得到的也不是糖果。在这台自动售货机跟前，你一方面输入反映车辆静止时小球投掷轨迹的数学方程式，另一方面将输出反映车辆匀速行驶时小球投掷轨迹的数学方程式。
若把牛顿运动定律的方程式投入伽利略变换这台售货机，我们得到的将是几道一模一样的等式。这又说明了什么问题呢？这说明，牛顿运动定律不受匀速运动的影响。这也意味着，它们所表征的物理现象在两种情况下是一致的。这也从数学角度证明了“牛顿运动定律遵循伽利略理论假说”这一观点。
若以更正式的语言进行表述：伽利略变换这一公式体现的是两个相对做匀速直线运动的参考系之间的转换。它也表明，牛顿运动定律在一切做匀速直线运动的参考系中均可成立。（关于伽利略变换的更多详细解释，请参见附录A。）
伽利略有关匀速运动的创见以及牛顿运动定律的适用领域属物理学中的力学范畴。如前所述，力学所描述的是力对物体的影响。贯穿19世纪的一个问题是，这些定律和法则是否也同样适用于电学与磁学领域。这个问题反过来也为爱因斯坦的相对论探索之旅的最后一程创造了良好的条件。
电与磁—一枚硬币的两面
1820年，丹麦科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特设计了一个有关电场的实验，在实验装置上安放了一个磁性指南针，试图探寻电与磁之间的内在关系。物理学界对于这两者之间存在关联的猜测由来已久。
4月的某一天，奥斯特正主持一场夜间讲座，当学生陆续坐满演讲大厅时，他突发灵感，决定要在学生面前首次进行这个实验。他接通电源，电流迅速流过通电导线。然后，他注意到，靠近通电导线的小磁针摆动了，虽然幅度极其微小，但他还是敏锐地捕捉到了这个变化（见图2.2）。
是什么引起了磁针的微动？指南针对磁场的感应十分灵敏。地球磁场的存在使得指南针在初始时指向北方，通电后，通电导线中的电流又产生了一个相对较弱的磁场，正是这个电流自有的磁场引起了磁针的微动。
图2.2 奥斯特实验
通电导线中的电流在周围产生了一个磁场，使放置其上的小磁针轻微摆动。
奥斯特的小实验是物理学界第一次一锤定音地证实，“流通的电流能够产生磁场”。不过，由于磁针的摆动过于微弱，并未引起当时在场学生的注意，他们完全没有意识到自己见证的这个时刻在物理史上的重要意义。
奥斯特的发现为现代电动机装置的发明奠定了理论根基。比如吊扇接通电源之后，内部的通电导线随即便有电流通过，正如奥斯特所展示的实验，这股电流会产生一个磁场，吊扇中安装的电磁铁一旦感应到磁场就会开始旋转，同时也带动风扇叶片转动起来。装载有电动机装置的机械设备，如洗衣机、干衣机、吹风机、吸尘器等，其工作原理皆是如此。
1831年，英国伟大的实验大师迈克尔·法拉第向世人展示了一个与奥斯特的发现恰好相反的效应。他发现，若在闭合金属导线的周围反复移动磁体，该导线中会产生电流。
法拉第将机械能（磁铁的转动）转化为电能（电流），该现象被称为电磁感应。现今的发电厂、汽车（交流）发电机、移动式发电机等，均为法拉第这一发现的广泛应用实例。
总而言之，通过奥斯特和法拉第的实验，科学界终于明确，电流可产生磁场，移动的磁体反过来也可产生电流。现在所急需的是一个可为这些物理现象提供数学依托的理论。
科学家首先将目光投向了业已熟知的牛顿运动定律。鉴于牛顿物理学说在之前所取得的巨大成功，科学家不禁期望可以运用它们来解释一切物理现象，于是，他们开始尝试在牛顿定律的体系下对电磁现象进行深度剖析。但科学家们很快便察觉，他们陷入了困境。
一方面，牛顿第二运动定律适用的是处于持续接触状态的物体。比如你推动某个物体，使其运动加速，但是，你一旦与它脱离接触，它旋即停止加速，并开始进行匀速运动（假设再无其他外力作用）。牛顿第三运动定律同样只适用于相互接触的物体。
然而，电与磁在施加作用力时并不需要与物体发生接触，实际上，这些力可穿越空间实现传递，地球磁场使指南针指向磁北极便是最好的例证。物理学界将这种处于空间两个不毗邻区域的两个物体之间的相互作用称为超距作用，阿尔伯特·爱因斯坦年幼时觉得这股隐于无形的作用力十分不可思议。
再举一个例子。将两块普通的条形磁铁（比如冰箱贴）分别放在长桌的两端，推动其中一块磁铁缓慢移向另一块，然后你将发现，当两者之间的距离足够近时（但远未发生接触），第二块磁铁会自发朝趋近的那块磁铁移动。
在电学范畴，我们同样能够感受到“超距作用”的效力。拿起一块地毯在你的脚上快速摩擦，可以从组成地毯的分子和原子上摩擦下一些电子，这些电子黏附于你的皮肤，使你的身体带上净负电荷。然后缓慢移动你的手指，靠近某个金属物体，在你与该物体发生实际接触之前，你便能感觉到来自“静电”的酥麻冲击，这说明，这股电之力已由你的指尖穿越空间传递至物体。
总的来说，牛顿第二运动定律和第三运动定律均要求物体之间存在直接接触 ①，但电场与磁场的作用力是通过空间进行传递的，物体无须发生直接接触便可受到电场与磁场的影响。
经过多次尝试与失败，19世纪中期，科学家们终于确立了几则旨在揭示电与磁的内在联系的全新定律，其中，汉斯·克里斯蒂安·奥斯特、查尔德·库伦、安德烈·马利·安培和迈克尔·法拉第等人做出了尤为卓绝的贡献。
科学家们殚精竭虑所总结出的各项数学方程等式虽然在实际应用中稳定有效，但它们代表的只是一个游离于其他物理理论框架之外的独立体系，而且，它们违背了物理学中的一个关键原则—这些方程式组并不遵循电荷守恒定律。
19世纪物理学皇冠上的明珠
那些感官经验认为是毫无干系的复杂物理现象之间其实具有内在统一性，意识到这一点的时候，我心间应是盈满自豪的。
—阿尔伯特·爱因斯坦
理论物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1831年出生于苏格兰爱丁堡。他与牛顿一样，是一位极具才智的数学家。他与爱因斯坦相仿，自小就对几何学充满热爱。他与两位科学巨匠有一个共同之处，即他们都经历过大量的自学时光。麦克斯韦在爱丁堡大学就读本科时，如饥似渴地自学并积累了广泛的课外知识。
麦克斯韦在光学、彩色摄影技术、分子运动论、热动力学及控制理论等领域均有建树，而他最为人称颂的物理著作当数出版于1864年的《电磁场的动力学理论》。正如先前所言，麦克斯韦与牛顿一样，是一名优秀的数学家，正是他的杰出数学才能使他得以从同时代的物理学家中脱颖而出。
他的主要杰作便是将所有有关电与磁的孤立理论与实验证据整合成一个简练而全面的数学方程组。这个方程组被赞誉为“19世纪物理学皇冠上的明珠”。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦逝世于1879年，巧合的是，在同一年，阿尔伯特·爱因斯坦出生了。
麦克斯韦的理论究竟有何特别之处？它揭示了电与磁在本质上是同一物理现象—电磁场的组成部分。他推导的数学方程组不仅与奥斯特和法拉第的实验发现（变化的电场可生成磁场，变化的磁场也可生成电场）相契合，同时也遵循电荷守恒定律。
这真的意味着电与磁确实是同一事物的不同方面吗？是的。请你试着思考一下，那些我们日常使用的冰箱磁贴，它们本身具有的磁性从何而来？
麦克斯韦方程组告诉我们，运动的电场可产生磁场。那么，在这些磁铁内部是否存在处于运动状态的电荷？肯定存在。组成磁铁的原子内部充斥着负有电荷的电子，而正是这些电子的不歇运动生成了磁铁的磁场。
不过，麦克斯韦探寻真相的脚步并未休止于此—准确来讲，是远远不止于此。在研究方程组时，他意识到，电场与磁场之间存在的应是一种极为亲密的关系：一个产生另一个。
麦克斯韦推论认为，既然变化的磁场可产生电场，而变化的电场可产生磁场，那么，它们或许是彼此依存的关系。换句话说，电场生成磁场，磁场反过来又产生电场，如此反复，不断循环，形成“周期性运动”，构成一条不停相互生成的“电磁场动态链”。
电磁场的周期性运动最终又将导致什么结果？永不停止的电磁波—可在空间中传播的电磁场。麦克斯韦预言了电磁辐射的存在！
我们可如何创造电磁波？取一带电微粒并使其加速。比如，令电子上下移动，由于电子负有电荷，其上下运动可产生变化电场，该变化电场又会生成磁场，并依次往复，所以，通过使电子上下运动，我们能够得到一个自续（self-perpetuating，即可令自身永久存在）的电磁场—也可称其为电磁辐射。
电磁辐射的具体形态可见图2.3。处于不停变化之中的电场生成同样不停变化的磁场，反之亦然。这其中的关键词是，变化。倘若电场与磁场均没有变化，将无法产生电磁波（或电磁辐射）。而正如我们在之后的章节将看到的，这也是爱因斯坦通往狭义相对论之路的一个重要关隘。
图2.3 电磁波
电场的方向与磁场的方向相互垂直。波动图形随着时间变化向右平移。
麦克斯韦对于电磁波的传播速度十分好奇。我们完全可以想象出他埋首桌前、全神贯注地根据方程组推算数值的认真模样。他一笔一画地在草稿纸上写下最终得出的那个数字，笔墨未干，他已经认出了这个数字所具有的含义，他兴奋难耐，因为演算出的结果大致为300 000 000米/秒，而这个速度正是光速！
电磁波是以光速传播的这个发现虽是麦克斯韦偶然所得，但其重要意义却是不言而喻的。就此，法拉第的猜想得到确证—光就是电磁辐射，两者确为一体。我们称为“光”的这一神秘事物，其实质是处于不停变化的电磁波。对于人类而言，“自然”是包裹着重重幕障的未知，而麦克斯韦的发现无疑为人类揭开了其中尤为重要的一幕。
麦克斯韦将电、磁与光统为一体，这一理论对阿尔伯特·爱因斯坦产生了深刻的影响。爱因斯坦在后来回忆道：“学生时代的我认为，在众多科学理论中，最吸引人的便是麦克斯韦的论著。”在麦克斯韦的启发下，将迥然相异的各个理论整合为具备逻辑自洽性的统一整体成为爱因斯坦毕生追求的事业。
人们始终致力于将各项堪称物理学根基的重大发现统一成整体，而光与电磁学理论的合并正是这段奋斗征程上的一大丰碑。
—阿尔伯特·爱因斯坦
让光芒普照大地
前文提及的电磁辐射与我们日常肉眼所见的光真的是同一回事吗？是的。所谓的可见光便是处于某一特定频率范围的电磁辐射。就像我们的耳朵只能听到特定频率范围内的声音，我们的眼睛也只能感知到有限频率范围内的光（即电磁辐射）。雨后我们常能欣赏到泛着七色光的彩虹—红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，而事实上，这些颜色不同的光就是具有不同频率的电磁辐射（见图2.4）。
从每秒仅振动少许几次的长波，到每秒振动高达千亿亿次的γ射线，包括振动频率介于两者之间的其他电磁辐射—无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线以及X射线—全部都是光。
虽然这些光形式不同，呈现出的物理效应也大相径庭，但真正能将它们区别开来的特征，是它们各自独有的频率。因此，所谓“光”和“电磁辐射”其实只是同一现象的不同表述而已。而且，不管频率如何相异，所有电磁波在真空中都是以光速进行传播的。
根据马克斯·普朗克推导出的方程式，爱因斯坦提出，电磁辐射的频率越高，其能量也越高。比如由于X射线属于高频率电磁辐射，因此，其相应具备的高能量使这类射线可穿透人类的软组织（但无法穿透骨头）进入人体内。
1887年，海因里希·赫兹用实验证实了电磁波的存在及传播；1901年12月，伽利尔摩·马可尼在英格兰康沃尔郡发射的无线电磁波在穿过浩瀚的大西洋之后，抵达了纽芬兰省圣约翰斯的接收处。这次极具历史意义的电波发送开启了信息时代的序幕。
现今常用的一切无线通信背后均潜藏着电磁辐射的身影，无线电台、电视台、手机、便携式固定电话、人造卫星、宇宙空间飞行器、电子车匙、车库门遥控开关和其他远距离控制设备都是通过电磁辐射来实现信息传递的。这些技术及设备利用的电磁辐射或许频率不同，但无一例外都是麦克斯韦宏大视野的最佳见证。
图2.4 电磁波谱
电磁辐射虽然具备不同频率与波长，但本质上都是光。
麦克斯韦的困境
虽然麦克斯韦方程组向世人揭示了电、磁、光的本质，取得了巨大的成功，但它们并非毫无瑕疵，往后的数十年间，物理学界的许多研究者都在为解决这些瑕疵而苦苦冥思。
困境1：伽利略的主张
前文提及，牛顿运动定律不受匀速运动的影响。牛顿运动定律所描述的一切物理现象无论是在匀速行进还是静止不动的车辆里，均表现一致。可见，牛顿运动定律和代表这些定律的方程式是依循伽利略有关匀速运动的主张的。
麦克斯韦方程组的情况则有所不同。19世纪末的物理学家发现，麦克斯韦方程组并不遵循伽利略的理论，它们会受到匀速运动的影响。
物理学家们是如何得出这个结论的呢？他们将麦克斯韦方程组进行伽利略变换，结果显示，演算之后得到的方程组与麦克斯韦方程组并不相同。
这是否意味着，适用于电、磁、光的物理法则在匀速行进的车辆中与在静止不动的车辆中是存在区别的？是的。这也意味着，涉及电、磁、光的物理实验可以帮助我们分辨所在的密闭车辆究竟是处于匀速行驶状态还是处于静止状态。这显然违背了伽利略的观点！
但是，烦请稍等一下再做论断，因为我们的日常生活经验似乎在说，事实并非如此。比如靠电池供电的笔记本无论是放置在静止的书桌上，还是被乘客携带至时速高达约966千米的飞机上，都能如常运转。万幸，在地上设计、生产的电磁设备在飞机上都能正常运行。
房车里的微波炉又如何呢？不管房车是停靠在路边休整，还是正以约97千米的时速在高速公路上飞驰，车里安装的微波炉都将以相同的方式给茶饮加热，所以，日常生活经验表明，电磁现象不受匀速运动的影响。
不过，19世纪末的物理学家对此并不敢妄下定论，毕竟，电磁学在当时还只是一个新兴学科，对电磁现象的实验研究相当有限。他们认为，要么电磁现象确实会受到匀速运动的影响，要么麦克斯韦的伟大理论仍需修正。
这就带来另一个问题。假设麦克斯韦的数学论断是正确的，电磁对静止物体的作用的确异于其对匀速运动物体的作用，那么，对于所谓的“静止”物体，我们又该如何准确界定呢？
我们进行实验的实验室相对于地球而言是静止的吗？是的，你可以这样认为。但地球每时每刻都在绕着太阳公转，而太阳又绕着银河系的中心转动，诸如此类的运动数不胜数。宇宙间的一切事物均在做相对运动，我们又该如何在这广袤的空间里，定位出那个相对其他一切物体处于静止状态的特殊所在呢？
在无垠的宇宙里，真的存在一个可被我们定义为正处于“静止”状态的空间吗？
此时的你或许备感困惑，其实，20世纪初叶的物理学家对于这个问题同样充满不解。麦克斯韦理论引发的第二个争议之处便与此有关。
困境2：以太
19世纪末的物理学家已明确知晓，声波须通过某种介质（如空气）进行传播。比如在外太空的真空环境下，声音是无法传递的。为什么呢？因为真空中没有介质可荷载声音。
因此，他们认为，这个原理应该也适用于光波，即光波也需要借助某种介质才能进行传播。这个神秘色彩浓厚的光波传播媒介有一个极具异国情调的名字—光以太（the luminiferous ether）。当时的观点普遍认为，所谓的以太是一种透明的“背景”物质，它们充斥宇宙的每个角落。
虽然没有任何实验证据可证明以太的真实存在，但以太理论依然受到了学界的广泛认可，生机勃发，而科学家们所要做的就是设计出一个能够证实以太确实存在的实验。
1887年，美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙与爱德华·莫雷进行了一系列实验，试图探寻以太的存在痕迹。他们垂直发射两束光，而后再使这两束光反射回起点。（该实验假设以太与太阳相对静止。）
其中一束光线射向地球运动的方向，径直进入理应弥漫空间、无处不在的以太；另一束光的传播方向则与地球运动的方向相垂直。迈克耳孙与莫雷预测，两束光的传播速度应不相同。
为什么呢？因为进入以太之后再反射回起点的那束光应该会受到“以太逆风”的影响而减速，因此，与垂直方向传播的那束光线相比，其速度应有所减缓。为了更好地理解这一点，让我们分别从两个视角来看待这个问题：
从以太的视角看（即以以太为参考系）—地球以环绕太阳运行的方式围绕以太进行运动。
从地球的视角看（即以地球为参考系）—地球静止不动，以太则朝相反方向运动，因此，从地球的角度看，势必存在一股“以太逆风”持续不断地迎面吹来。（就像开车飞驰穿过静止的空气，假如你张开双手伸出车窗，掌心将会感受到呼啸而来的风力。）
所以，倘若光速确实与以太有关，那么，径直进入以太并返回的光束其速度理应慢于照射方向与以太运动方向相垂直的光束。
迈克耳孙在向其子女解释实验的预期结果时，将这两束发射方向相垂直的光束比作两个在河流中竞赛游泳的运动员。“两束光在进行竞速比赛，”他告诉女儿，“其中一束光逆流而上，之后再原路返回起点，另外一束则往返横渡河道（即运动方向与水流方向相垂直），在两者游行距离相等的情况下，假如河道中真的存在奔流不息的河水，横渡河道的游泳运动员必将赢得胜利。”
然而，迈克耳孙与莫雷设计的精密的实验显示，不管两束光射往哪个方向，它们的速度都是相同的。他们反复进行实验，把整台实验装置放在平台上，旋转装置，令相互垂直的两束光线发射至不同方向。他们甚至还苦心等待了六个月，待到地球运动方向与太阳相反时，又再次进行实验。但是，无论他们如何调整实验环境，两束光线的传播速度都是一样的。
人们苦思无解。当时的科学界对以太理论深信不疑，就算实验数据与之矛盾，科学家们也未有丝毫动摇。
他们认为，这或许是因为他们对于实验当中的某些环节了解得还不够透彻。
困境3：不变的光速？
要想抛开“空间中存在以太”这个想法绝非易事。为什么呢？一方面，麦克斯韦方程组认为，光总是以相同的速度在空间中传播。换言之，光速是永恒不变的。好，我们不妨暂且假设光速确实是永恒不变的，但是，这个所谓的“不变”又是相对于什么而言的呢？
若以光源为参照点，光的传播速度是一直不变的吗？比如某个灯泡发出的光相对于这个灯泡而言其传播速度总是不变的吗？又或者，光的传播速度不变是相对于地球而言的？
为什么一定得是地球呢？以太阳为参照点不可以吗？若以银河系为参照点呢？天哪，我们似乎又回到原点了。现在我们或许可以理解为什么物理学家们对于究竟该如何解读麦克斯韦方程组得出的“光速是永恒不变的”这一推论一度满怀困惑。
一些物理学家提出，光速的永恒不变是相对于以太而言的，而充斥整个宇宙空间的以太则是静止不动的，所以，处于静止状态的光以太构成了一个特殊的运动参考系—一个遍布宇宙各处的绝对静止参考系。以当时的眼光来看，这个构想似乎已是最为合理的答案。（只可惜迈克耳孙-莫雷实验并未检测到以太的存在。）
而这个所谓的以太具体又是由什么物质构成的呢？问得好！以太的构成是19世纪末期物理学界最为关切的问题之一，1900年，物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）在英国科学促进协会作主席报告时，就曾抛出这样一个问题：以太究竟“只是一种作为辐射能量的传播媒介而存在的无形物质”，还是“构成一切物理作用的核心”？换句话说，拉莫尔对以太的本质而非以太的存在存疑。
进退维谷的专利审查员
困居于专利局的爱因斯坦对当时物理学界的争论纠葛毫无所闻，不过，对于牛顿理论与麦克斯韦方程组之间的矛盾分歧，他却领会颇深。他意识到，牛顿运动定律是遵循伽利略关于匀速运动的主张的，但麦克斯韦方程组却是与之相悖的。
爱因斯坦还清醒地意识到，虽然迈克耳孙-莫雷实验并未探测到任何以太存在的痕迹，但物理学家们依然坚信，这样一种遍布宇宙的电磁波传播介质是真实存在的。
这些问题深深地困扰着当时的许多物理学家，而爱因斯坦这位彼时尚是无名之辈的专利审查员也同样深陷于这团浓郁的迷雾之中。牛顿定律与麦克斯韦方程组这两个伟大的物理学理论，在伽利略关于匀速运动的基本理念上意见相异，这令爱因斯坦苦恼万分。他憎恶这个明显得叫人无法忽视的理论矛盾，他在后来自述道：“在长达七年的时间里，我的研究陷入瓶颈，近乎一无所获，这使我产生了精神上的焦虑情绪……”
就像其他行业的权威人士一样，老派的物理学家依旧顽固地坚持着自己的观点，认为以太是存在的。在这样的时刻，这个世界所急需的就是一个勇气与独立思考能力兼备的年轻科学家无所畏惧地站出来挑战权威。
1905年，年仅26岁的阿尔伯特·爱因斯坦挺身而出，挑起了这个重担。他化解了牛顿与麦克斯韦之间的学术争论，并一锤定音地解决了有关以太的问题。正是由于爱因斯坦敢于冲破以往某些早已深入人心的理论学说的桎梏，敢于接受有关时空本质的新理论所传达的“怪诞”含义，这一重大突破才得以实现。下一章节将重点阐述爱因斯坦实现这一重大突破的艰辛之路。
① 大致上讲，地球的运动状态近似于匀速运动。在这里，并未考虑地球自转和在椭圆轨道上绕太阳公转所造成的影响，因为它们对我们实验的影响微乎其微，可忽略不计。
① 与牛顿运动定律不同，牛顿提出的万有引力定律所假定的是一种超距作用状态，这一点在第九章将再作详述。