相對與絕對
空間究竟是愛因斯坦式的抽象， 還是物理實體呢
有些發現可以回答某些問題， 有些發現則更為深刻， 能夠以一種全新的角度提出問題， 使人們發現之前的神秘之處不過是因缺乏知識而造成的誤解。 你可能會窮盡一生的時間——很多古人的確如此——來思考地球的邊緣是什麼樣的， 或者試圖
想出是誰或者何物居住在世界的盡頭。 但當你發現地球是圓的， 你會認識到之前的神秘問題沒法回答， 實際上， 那個問題問得並不切題。
20世紀的頭20年， 阿爾伯特·愛因斯坦做出了兩項重大發現。 每一項發現都使人類對於空間和時間的認識發生了巨大的變化。 愛因斯坦拆除了牛頓建立的嚴格、絕對的結構， 然後以一種前所未有的方式將時間和空間綜合起來進而建立了自己的體系。 愛因斯坦完成他的工作之後， 時間和空間就成了不可分割的統一整體，
在愛因斯坦於20世紀的頭幾年編寫的相對論劇本中， 光才是主角。 為愛因斯坦那不可思議的洞察力搭建起舞臺的正是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。 早在19世紀中葉， 麥克斯韋第一次發現通過4個強大的方程， 人們可以在一個嚴格的理論框架下很好地理解電、磁及其之間的密切聯繫。 [注釋]仔細研究英國物理學家麥克爾·法拉第的工作之後， 麥克斯韋寫出了這套方程組。 法拉第早在19世紀早期就做了成千上萬
的工作之後， 麥克斯韋寫出了這套方程組。 法拉第早在19世紀早期就做了成千上萬次實驗， 研究迄今為止仍未完全搞清楚的電和磁的特點。 法拉第的關鍵性突破在於提出“場”的概念。 後來被麥克斯韋和其他科學家加以拓展延伸， “場”的概念在前兩個世紀的物理學發展中產生了不可估量的影響， 並且解釋了我們在日常生活中所遇到的許多小秘密。 通過機場安檢時， 你有沒有注意到那台機器是怎樣做到不接觸你卻可以探測到你是否攜帶有金屬物品的？做過核磁共振成像（MRI）嗎？一台完全在體外的機器究竟是怎樣詳細地繪製出體內的圖像的？就算你完全不動手，
我見過的最好的感性認識磁場的方式就是小學課堂裡的演示：鐵屑在條形磁鐵附近的分佈。輕微的震盪後，鐵屑以規則的弓形排列，起於磁鐵的北極，止於磁鐵的南極，就像圖3.1所示。鐵屑的分佈就是一個直接的證據，它說明磁鐵創造了一種存在于周圍空間的、不可見的物質——這種物質可以對金屬碎屑這樣的東西有力的作用。這種不可見的物質就是磁場，根據我們的直覺，它類似於可以充滿某片空間的薄霧或香氣，並可以作用於磁鐵物理範圍之外的物體。磁場與磁鐵的關係就如同戰場與指揮官，或審計員與國稅局：影響遠在它們的物理範圍之外，它允許力在場中作用於其他物體。而這也是磁場為什麼被稱作力場的原因。
的工作之後，麥克斯韋寫出了這套方程組。法拉第早在19世紀早期就做了成千上萬次實驗，研究迄今為止仍未完全搞清楚的電和磁的特點。法拉第的關鍵性突破在於提出“場”的概念。後來被麥克斯韋和其他科學家加以拓展延伸，“場”的概念在前兩個世紀的物理學發展中產生了不可估量的影響，並且解釋了我們在日常生活中所遇到的許多小秘密。通過機場安檢時，你有沒有注意到那台機器是怎樣做到不接觸你卻可以探測到你是否攜帶有金屬物品的？做過核磁共振成像（MRI）嗎？一台完全在體外的機器究竟是怎樣詳細地繪製出體內的圖像的？就算你完全不動手，指南針的針頭也會自動指向北方，這是怎麼回事呢？指南針這個問題與地球的磁場有關。事實上，前兩個問題也可以用磁場的概念加以解釋。
我見過的最好的感性認識磁場的方式就是小學課堂裡的演示：鐵屑在條形磁鐵附近的分佈。輕微的震盪後，鐵屑以規則的弓形排列，起於磁鐵的北極，止於磁鐵的南極，就像圖3.1所示。鐵屑的分佈就是一個直接的證據，它說明磁鐵創造了一種存在于周圍空間的、不可見的物質——這種物質可以對金屬碎屑這樣的東西有力的作用。這種不可見的物質就是磁場，根據我們的直覺，它類似於可以充滿某片空間的薄霧或香氣，並可以作用於磁鐵物理範圍之外的物體。磁場與磁鐵的關係就如同戰場與指揮官，或審計員與國稅局：影響遠在它們的物理範圍之外，它允許力在場中作用於其他物體。而這也是磁場為什麼被稱作力場的原因。
磁場彌漫於空間的能力使其非常有用。機場金屬探測器的磁場透過你的衣服，使你帶著的金屬物體也發出其自己的磁場——這些磁場反作用於探測器，從而使它發出警報。MRI的磁場透過你的身體，使體內特殊的原子以適當的方式旋轉並產生它們自己的磁場——然後這些磁場被探測器探測到，解碼成一幅內部組織圖。地球的磁場透過指南針的外殼，使指標發生偏轉，指向北方，這是由於長年
地球的磁場透過指南針的外殼，使指標發生偏轉，指向北方，這是由於長年地球物理學過程，使地球磁場方向基本與南北極方向相符。
磁場是一種我們很熟悉的場，但法拉第還分析研究了另一種場：電場。正是由於這種場的存在，羊毛圍巾發出劈裡啪啦放電的聲音；我們接觸金屬門把手後，與毛毯接觸就會發出噝噝的聲音；在一個電閃雷鳴下著暴雨的晚上，我們站在山頂上時會有皮膚刺痛的感覺。如果你碰巧在風雨交加的晚上看指南針，磁鍼偏轉的方向和周圍電閃雷鳴的環境就會啟示我們：電場和磁場之間存在著深層次的聯繫——電場與磁場之間的聯繫是由丹麥物理學家漢斯·奧斯特首先發現的，後來法拉第又勤奮地做了很多實驗對其進行進一步研究。這就像股票市場的發展會影響債券市場，反過來債券市場也會對股票市場產生影響一樣，科學家們發現，電場的變化會使附近的磁場發生變化，而磁場的變化也會造成電場的變化。麥克斯韋發現了這種聯繫的數學基礎。因為麥克斯韋的方程表明電場和磁場之間是可以相互糾纏的，就像塔法裡教的長卷髮[注釋]互相糾結在一起那樣，最終它們被命名為電磁場，電磁場可以通過電磁力作用於其他物體。
今天，我們長久地生活在電磁場的海洋中。行動電話和汽車廣播在無限寬廣的空間內工作著，因為電信公司和廣播站的電磁場充斥著廣闊的空間。無線網路連接
環繞在我們身邊；電腦從震盪在我們周圍的電磁場——事實上，這些電磁場也穿過了我們——中採集資訊形成了整個萬維網。當然，在麥克斯韋時代，電磁場技術還沒有充分發展起來，但是科學家們已經公認了麥克斯韋的偉大成就：麥克斯韋通過場的理論指出儘管電和磁是有區別的，但它們實際上是一種物理實體的不同方面。
後來，我們遇到了各種各樣的場——引力場、核子場、希格斯場，等等——我們越來越認識到場對於現代物理學定律的形成起著十分關鍵的作用。但到現在，在我們討論的領域中，關鍵性的下一步也歸功於麥克斯韋。麥克斯韋進一步分析他的方程後發現，變化的電磁場以波的形式傳播，速度為每小時670000000英里（1英里≈1.609千米）。這正是其他實驗所發現的光的傳播速度，麥克斯韋意識到光也屬於電磁場，它可以作用於我們視網膜上的化學物質，從而使我們產生光感。麥克斯韋做出了舉世矚目的偉大發現：他將磁鐵產生的力、電荷產生的力，以及在宇宙中所能看到的光聯繫起來——但這就提出了一個更為深刻的問題。
當我們說光速是每小時670000000英里時，經驗以及前面的討論告訴我們，如果沒有參照物的話這種說法將毫無意義。有趣的是，麥克斯韋只給出了這個數值而並未提到任何參照物。這就像是某人說在北部的22英里外有個聚會，但卻沒有參照座標，沒有說明是哪兒的北部。包括麥克斯韋在內的很多物理學家，試圖用
類似於下面的方式來解釋方程中的速度：我們熟悉的波，比如海洋的波或聲波，是在物質，或者說介質中傳播的。海洋中的波濤是在水中傳播的，聲波是在空氣中傳播的，這些波的速度都是相對於介質而言的。當我們說聲波在房間中的速度是每小時767英里時（也就是通常所說的1馬赫，這裡的馬赫就是我們在前面提到過的歐尼斯特·馬赫），我們想要表明聲波在空氣中是以上述速度傳播的。於是很自然的，那時的物理學家推測光波——電磁波——也是在某種特殊的介質中傳播的，雖然這種介質從未被人探測到，但它肯定是存在的。這種看不見的傳播光的物質被命名為光乙太，或乙太；後者是一個古老的術語，亞里斯多德曾用它來描述一種可以包羅萬象的神奇物質，在想像中，天國的東西就是由它做成。為了使該說法與麥克斯韋的結果一致，有人提出他的方程暗示著採用了相對乙太靜止的物體作為參照物。他的方程中的每小時670000000英里，就是光相對於靜止乙太的速度。
正如你所看到的那樣，光乙太和牛頓的絕對空間存在著驚人的相似性。它們都起源於
提供一種參照物以定義運動的嘗試；加速運動導致了絕對空間的概念，光的運動導致了光乙太的概念。事實上，許多物理學家認為乙太是聖靈——亨利·摩爾、牛頓和其他科學家認為充滿絕對空間的聖靈——的實際替身（牛頓和他同時代的科學家曾用“乙太”描述過絕對空間）。但實際上乙太是什麼呢？它是由什麼構成的？它來自於哪裡？它存在於每個地方嗎？
這些關於乙太的問題與幾個世紀以來關於絕對空間的問題一樣。但是，雖然關於絕對空間的完整的馬赫式檢驗需要在全空的宇宙中旋轉；但物理學家們卻能提出可行的實驗確定乙太是否真的存在。比如說，當你游向迎面而來的浪花時，波浪向你移動的速度加快了；當你游向浪花的相反方向時，波浪向你移動的速度減慢了。類似的，當你穿過假設中的乙太朝向或背離光波移動時，按照同樣的推理，光波向你移動的速度比每小時670000000英里加快或減慢了。1887年，阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷測量了光速。經過一次次實驗他們發現，不管他們做什麼運動，也不管光源做什麼運動，光速總是每小時670000000英里。人們想出各種各樣的巧妙說法以解釋這個結果。有些人說，或許實驗者是在不知情的情況下，在移動時拖曳乙太與他們一起運動。有些人則大膽地猜測，或許實驗設備穿過乙太時變得不太正常，從而毀了實驗。最後，直到愛因斯坦提出他革命性的理論，人們才終於弄清楚如何解釋邁克爾遜莫雷實驗。
我見過的最好的感性認識磁場的方式就是小學課堂裡的演示：鐵屑在條形磁鐵附近的分佈。輕微的震盪後，鐵屑以規則的弓形排列，起於磁鐵的北極，止於磁鐵的南極，就像圖3.1所示。鐵屑的分佈就是一個直接的證據，它說明磁鐵創造了一種存在于周圍空間的、不可見的物質——這種物質可以對金屬碎屑這樣的東西有力的作用。這種不可見的物質就是磁場，根據我們的直覺，它類似於可以充滿某片空間的薄霧或香氣，並可以作用於磁鐵物理範圍之外的物體。磁場與磁鐵的關係就如同戰場與指揮官，或審計員與國稅局：影響遠在它們的物理範圍之外，它允許力在場中作用於其他物體。而這也是磁場為什麼被稱作力場的原因。
的工作之後，麥克斯韋寫出了這套方程組。法拉第早在19世紀早期就做了成千上萬次實驗，研究迄今為止仍未完全搞清楚的電和磁的特點。法拉第的關鍵性突破在於提出“場”的概念。後來被麥克斯韋和其他科學家加以拓展延伸，“場”的概念在前兩個世紀的物理學發展中產生了不可估量的影響，並且解釋了我們在日常生活中所遇到的許多小秘密。通過機場安檢時，你有沒有注意到那台機器是怎樣做到不接觸你卻可以探測到你是否攜帶有金屬物品的？做過核磁共振成像（MRI）嗎？一台完全在體外的機器究竟是怎樣詳細地繪製出體內的圖像的？就算你完全不動手，指南針的針頭也會自動指向北方，這是怎麼回事呢？指南針這個問題與地球的磁場有關。事實上，前兩個問題也可以用磁場的概念加以解釋。
我見過的最好的感性認識磁場的方式就是小學課堂裡的演示：鐵屑在條形磁鐵附近的分佈。輕微的震盪後，鐵屑以規則的弓形排列，起於磁鐵的北極，止於磁鐵的南極，就像圖3.1所示。鐵屑的分佈就是一個直接的證據，它說明磁鐵創造了一種存在于周圍空間的、不可見的物質——這種物質可以對金屬碎屑這樣的東西有力的作用。這種不可見的物質就是磁場，根據我們的直覺，它類似於可以充滿某片空間的薄霧或香氣，並可以作用於磁鐵物理範圍之外的物體。磁場與磁鐵的關係就如同戰場與指揮官，或審計員與國稅局：影響遠在它們的物理範圍之外，它允許力在場中作用於其他物體。而這也是磁場為什麼被稱作力場的原因。
磁場彌漫於空間的能力使其非常有用。機場金屬探測器的磁場透過你的衣服，使你帶著的金屬物體也發出其自己的磁場——這些磁場反作用於探測器，從而使它發出警報。MRI的磁場透過你的身體，使體內特殊的原子以適當的方式旋轉並產生它們自己的磁場——然後這些磁場被探測器探測到，解碼成一幅內部組織圖。地球的磁場透過指南針的外殼，使指標發生偏轉，指向北方，這是由於長年
地球的磁場透過指南針的外殼，使指標發生偏轉，指向北方，這是由於長年地球物理學過程，使地球磁場方向基本與南北極方向相符。
磁場是一種我們很熟悉的場，但法拉第還分析研究了另一種場：電場。正是由於這種場的存在，羊毛圍巾發出劈裡啪啦放電的聲音；我們接觸金屬門把手後，與毛毯接觸就會發出噝噝的聲音；在一個電閃雷鳴下著暴雨的晚上，我們站在山頂上時會有皮膚刺痛的感覺。如果你碰巧在風雨交加的晚上看指南針，磁鍼偏轉的方向和周圍電閃雷鳴的環境就會啟示我們：電場和磁場之間存在著深層次的聯繫——電場與磁場之間的聯繫是由丹麥物理學家漢斯·奧斯特首先發現的，後來法拉第又勤奮地做了很多實驗對其進行進一步研究。這就像股票市場的發展會影響債券市場，反過來債券市場也會對股票市場產生影響一樣，科學家們發現，電場的變化會使附近的磁場發生變化，而磁場的變化也會造成電場的變化。麥克斯韋發現了這種聯繫的數學基礎。因為麥克斯韋的方程表明電場和磁場之間是可以相互糾纏的，就像塔法裡教的長卷髮[注釋]互相糾結在一起那樣，最終它們被命名為電磁場，電磁場可以通過電磁力作用於其他物體。
今天，我們長久地生活在電磁場的海洋中。行動電話和汽車廣播在無限寬廣的空間內工作著，因為電信公司和廣播站的電磁場充斥著廣闊的空間。無線網路連接
環繞在我們身邊；電腦從震盪在我們周圍的電磁場——事實上，這些電磁場也穿過了我們——中採集資訊形成了整個萬維網。當然，在麥克斯韋時代，電磁場技術還沒有充分發展起來，但是科學家們已經公認了麥克斯韋的偉大成就：麥克斯韋通過場的理論指出儘管電和磁是有區別的，但它們實際上是一種物理實體的不同方面。
後來，我們遇到了各種各樣的場——引力場、核子場、希格斯場，等等——我們越來越認識到場對於現代物理學定律的形成起著十分關鍵的作用。但到現在，在我們討論的領域中，關鍵性的下一步也歸功於麥克斯韋。麥克斯韋進一步分析他的方程後發現，變化的電磁場以波的形式傳播，速度為每小時670000000英里（1英里≈1.609千米）。這正是其他實驗所發現的光的傳播速度，麥克斯韋意識到光也屬於電磁場，它可以作用於我們視網膜上的化學物質，從而使我們產生光感。麥克斯韋做出了舉世矚目的偉大發現：他將磁鐵產生的力、電荷產生的力，以及在宇宙中所能看到的光聯繫起來——但這就提出了一個更為深刻的問題。
當我們說光速是每小時670000000英里時，經驗以及前面的討論告訴我們，如果沒有參照物的話這種說法將毫無意義。有趣的是，麥克斯韋只給出了這個數值而並未提到任何參照物。這就像是某人說在北部的22英里外有個聚會，但卻沒有參照座標，沒有說明是哪兒的北部。包括麥克斯韋在內的很多物理學家，試圖用
類似於下面的方式來解釋方程中的速度：我們熟悉的波，比如海洋的波或聲波，是在物質，或者說介質中傳播的。海洋中的波濤是在水中傳播的，聲波是在空氣中傳播的，這些波的速度都是相對於介質而言的。當我們說聲波在房間中的速度是每小時767英里時（也就是通常所說的1馬赫，這裡的馬赫就是我們在前面提到過的歐尼斯特·馬赫），我們想要表明聲波在空氣中是以上述速度傳播的。於是很自然的，那時的物理學家推測光波——電磁波——也是在某種特殊的介質中傳播的，雖然這種介質從未被人探測到，但它肯定是存在的。這種看不見的傳播光的物質被命名為光乙太，或乙太；後者是一個古老的術語，亞里斯多德曾用它來描述一種可以包羅萬象的神奇物質，在想像中，天國的東西就是由它做成。為了使該說法與麥克斯韋的結果一致，有人提出他的方程暗示著採用了相對乙太靜止的物體作為參照物。他的方程中的每小時670000000英里，就是光相對於靜止乙太的速度。
正如你所看到的那樣，光乙太和牛頓的絕對空間存在著驚人的相似性。它們都起源於
提供一種參照物以定義運動的嘗試；加速運動導致了絕對空間的概念，光的運動導致了光乙太的概念。事實上，許多物理學家認為乙太是聖靈——亨利·摩爾、牛頓和其他科學家認為充滿絕對空間的聖靈——的實際替身（牛頓和他同時代的科學家曾用“乙太”描述過絕對空間）。但實際上乙太是什麼呢？它是由什麼構成的？它來自於哪裡？它存在於每個地方嗎？
這些關於乙太的問題與幾個世紀以來關於絕對空間的問題一樣。但是，雖然關於絕對空間的完整的馬赫式檢驗需要在全空的宇宙中旋轉；但物理學家們卻能提出可行的實驗確定乙太是否真的存在。比如說，當你游向迎面而來的浪花時，波浪向你移動的速度加快了；當你游向浪花的相反方向時，波浪向你移動的速度減慢了。類似的，當你穿過假設中的乙太朝向或背離光波移動時，按照同樣的推理，光波向你移動的速度比每小時670000000英里加快或減慢了。1887年，阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷測量了光速。經過一次次實驗他們發現，不管他們做什麼運動，也不管光源做什麼運動，光速總是每小時670000000英里。人們想出各種各樣的巧妙說法以解釋這個結果。有些人說，或許實驗者是在不知情的情況下，在移動時拖曳乙太與他們一起運動。有些人則大膽地猜測，或許實驗設備穿過乙太時變得不太正常，從而毀了實驗。最後，直到愛因斯坦提出他革命性的理論，人們才終於弄清楚如何解釋邁克爾遜莫雷實驗。