追光的少年——追上光的话，光会看着静止吗

大家好，我是 Senko。本文将解读“追光的少年”。

骑着自行车望向旁边的汽车，汽车看起来动得很慢；若以同样的速度并排跑，对方就该看着静止不动。我想这是谁都在日常里经历过的事。

那么，若以与光相同的速度奔跑，会怎么样呢。“光会看着静止吗”。

爱因斯坦后来写下，自己还在十几岁时就做过这个空想。而这个朴素的问题谁也答不上来，十年之后改写了物理学的地基。

十六岁的空想

爱因斯坦在晚年写的自传性文字里说，十六岁前后他做过这样的空想（那是他七十岁时写下的）。

假如我以光速去追一束光线，那束光线应当被观测为一个在空间中振动却静止不动的电磁场。可这样的东西似乎并不存在，无论按经验看还是按麦克斯韦方程看都是如此。

换个说法就是：若严丝合缝地并排追着光跑，光相对于自己就该是静止的。于是眼前会出现保持着波的形状、却哪儿也不去、僵在那里的电磁场。

可是，从没有人报告见过这种东西，电磁学的方程也不允许这样的解。“直觉与理论给出的答案对不上”。

顺带一提，这段回忆是五十多年后写下的，所以他十六岁时究竟想到多清楚，科学史研究者之间有争论。不过这个矛盾长久地折磨过爱因斯坦，这件事本身由多份记述佐证，是确凿的。

这为什么会成为严重的问题，再仔细看一看。当时的物理学有两根都舍不得丢的柱子。

第一根是电磁学的方程。19世纪由麦克斯韦整理出来的这组方程，把电与磁的行为描述得精确得惊人。而从这组方程能推出一个结论：电磁波必定以一个固定的速度传播。把那个速度算出来，与已测得的光速严丝合缝地一致。原来光就是电磁波。

要紧的是，这组方程里不存在“静止的电磁波”这样的解。电场变化生出磁场，磁场的变化又生出电场，正因为有这一轮轮传递，波才往前走。一旦停下，电磁波就不再是电磁波了。

第二根是相对性原理。这是可以追到伽利略的老原则，说的是无论处在哪个惯性系，物理定律都是同一个形状。在匀速行驶的船舱里，只要不往外看，就不知道自己是不是在动。

而想让这两者并立，麻烦就来了。若真能追上光、看见静止的光，那么在那个人的参考系里，“电磁学的方程在那里不成立”。于是就有了方程成立的系与不成立的系，相对性原理垮了。

当时的物理学备下的答案，是一种叫“以太”的假想介质。

声音靠空气传播，那么光也该有传播用的介质。把充满整个宇宙的那种介质叫作以太，并认为光速指的是“相对于以太的速度”。

按这套想法，少年的疑问也答得出来：相对于以太以光速奔跑，光的确会看着静止；只不过那是一种特殊状态，那时方程不呈通常的形状也无妨。

可是这条退路要付代价。若以太存在，那么以每秒三十公里公转的地球上，就该刮着一阵“以太之风”。逆风而行的光与顺风而行的光，往返所用的时间该有微小的差别。

1887年做的一场精密实验，就是要检出这个差（迈克耳孙与莫雷做的那场有名的实验）。结果是什么也没找到。装置的精度绰绰有余，差却是零。

1905年，在专利局做职员的爱因斯坦发表论文，把这个问题从根上收拾干净。他采取的方针，不是再想一套额外的机制。

把“追不上光”从一个待解释的谜，直接改成出发点的前提——他走的是这一步。论文一开头就摆下两条原理。

第二条是骇人的主张。从时速100公里的车上以时速50公里投出球，从地面看是时速150公里；可光却是无论你以多快的速度一边跑一边测，它都以同样的速度离你而去。

承认这一条的瞬间，少年的疑问就消失了：追着光跑，光始终以同样的速度往前走，因为“并排同行这个状态根本不存在”。

当然，这不是白得的。若光速从任何立场看都相同，为了把账对上，此前被当作绝对的那些东西就要垮掉。

既然速度是“距离÷时间”，那么把速度固定住，距离与时间就非动不可，否则算不平。把光速做成绝对的，代价是把时间与空间变成相对的——这就是这套理论的骨架。

关于速度的相加，再补一句。日常的感觉里速度是简单相加的；可在正确的合成式里，把两个速度加起来之后，还要除以一个越接近光速就越大的系数。多亏这道式子，“相加也绝不会超过光速”。日常的速度下那个除数几乎等于1，所以我们用简单的加法也不出岔子。