在上一篇文章《相对论前夜：牛顿和麦克斯韦的战争》中，我给大家描绘了相对论诞生前夜的物理图景：伽利略携相对性原理横空出世，跟牛顿力学配合得天衣无缝。伽利略变换代表了绝对时空观，牛顿力学的所有定律又可以在伽利略变换下保持数学形式不变，也就是具有伽利略协变性。那是一个礼尚往来，没有战争的美好年代。然而，麦克斯韦方程组的出现打破了这种平静。因为它不具有伽利略协变性，跟伽利略-牛顿组建的世界玩不到一起去。
那么，麦克斯韦方程组是否满足相对性原理呢？面对这个灵魂拷问，我们回答是也不是，这可把物理学家们急坏了。这些内容我在上一篇文章里都从零做了非常详细的说明，请大家在阅读本文之前务必确保自己先看了公众号的上一篇。接下来就是大家熟悉的套路了：世界一片混乱，一位携主角光环的少年横空出世，挽狂澜于既倒，扶大厦之将倾。最后世界又重归于和平，全剧终。这里要出场的主人公，就是家喻户晓，如雷贯耳的爱因斯坦。
他给出的解决方案，就是大名鼎鼎的狭义相对论。那么，爱因斯坦究竟是如何平定牛顿和麦克斯韦的战争的？他又是如何回答“麦克斯韦方程组是否满足相对性原理？”这个灵魂拷问的呢？先不急着要答案，我们先来看看这个问题到底难在哪。
01 电磁疑难麦克斯韦提出麦克斯韦方程组以后，就预言光是一种电磁波，并算出了电磁波的速度。
然后，奇怪的事情就发生了：麦克斯韦在没有选定任何参考系的情况下，就直接从方程组推出了电磁波的速度等于光速c。如果你是第一次听这句话，你可能并不了解事情到底怪在哪，那我再解释一下。大家都知道，我们在谈论速度时，一定要先指明参考系。我坐在高铁上没动，那是以火车为参考系；如果以地面为参考系，那我就是以300km/h的速度在飞驰。所以，单独谈论我的速度是没有任何意义的。
你一定要先指明参考系，是在地面还是火车上看，然后才能谈论我的速度。同理，我们在谈论光的速度时，一样也要先指明参考系。那么，从麦克斯韦方程组推出的电磁波速度到底是哪个参考系下的速度呢？因为电磁波的速度是直接从麦克斯韦方程组推出来的，所以，只要麦克斯韦方程组在某个参考系里成立，我们就可以说电磁波在这个参考系里的速度是光速c。于是，上面的问题就有了一个等价的提法：麦克斯韦方程组到底在哪个参考系下成立？
如果麦克斯韦方程组在所有的惯性系下都成立（即满足相对性原理），那我们就可以说电磁波在所有的惯性系下的速度都是光速c。如果麦克斯韦方程组只在某些特殊的参考系下成立（即不满足相对性原理），那么我们就只能说电磁波只在这些特殊的参考系下的速度是光速c。于是，我们又进一步把“麦克斯韦方程组到底在哪个参考系下成立？”变成了“麦克斯韦方程组是否满足相对性原理？”这个逻辑大家一定要理清楚，不然下面就没法继续了。
不过，认为麦克斯韦方程组满足相对性原理，也就是认为“电磁波在所有惯性系下的速度都是光速c”太过离经叛道，也完全违反我们的直觉。你想想，在所有参考系里速度都一样是个什么概念？假设有位列车员在300km/h的高铁上以5km/h速度朝车头走去，火车上的人会觉得他的速度是5km/h，地面上的人会觉得是300+5=305km/h。他们当然会觉得列车员的速度不一样，而且就差了火车速度的300km/h。
如果你非要说一样，那估计有人要建议你去看眼科了。同样的，如果把列车员换成一束光，我们可能也会觉得火车上和地面上观察到的光速不一样，并且认为它们之间就差了一个300km/h。也就是说，从常识来看，我们并不认为电磁波在所有惯性系里都是光速c。这等于是在说：我们并不认为麦克斯韦方程组在所有的惯性系下都成立，即麦克斯韦方程组不满足相对性原理。
这样的话，电磁波，或者说光就应该只在一个参考系里的速度是c，在其它参考系里的速度就是c加上它们的相对速度。那么，光在哪个参考系里的速度是c呢？火车系？地球系？太阳系？都没道理！历史上，人们给出了以太系这个答案。也就是说，我们认为光只有在以太系的速度才是c。只有在以太系里才可以用麦克斯韦方程组推出电磁波的速度等于光速，在其它参考系里麦克斯韦方程组是不存在的。那么，以太是什么？
为什么我们要选择以太系呢？
02 以太时间先回到200年前。19世纪初，在托马斯·杨和菲涅尔等人的努力下，光的波动说逐渐被人们接受。随之而来的一个问题就是：既然光是一种波，那光的介质是什么？水波是一种波，它的介质是水；声波也是一种波，它在空气中传播时，介质就是空气。这些波之所以能传到远处，就是因为相邻介质点之间有力的作用，大家一个“推”一个，把波传了出去。
既然光也是一种波，我们自然会觉得光波也应该和水波、声波一样，是依靠相邻介质点的相互作用传播到远处的。那么，光的介质是什么呢？光可以穿过遥远的星空来到地球，那么这种介质也应该遍布宇宙。我们给它取个名字，就叫以太。以太似乎看不见摸不着，就像空气一样。但是，大家都知道，如果我们相对空气运动，就能感觉到风。同理，如果我们相对以太运动，按理说也能感受到“以太风”，这就是很多实验寻找以太的思路。
如果光的介质是遍布宇宙的以太，我们自然就会觉得光的速度是相对以太而言的，就像水波的速度是相对水面那样。这样导致的直接后果就是：我们必须假定麦克斯韦方程组只有在以太系中才成立。因为只有这样，我们才能只在以太系里推出光的速度是c，才能说光的速度是相对以太而言的，才不跟上面矛盾。从这里大家也能感觉到：当我们在谈论光和以太的时候，我们其实是把牛顿力学的那一套搬了过来。
我们希望用以太的力学性质来解释光波，就像我们用空气和水的振动来解释声波和水波那样。牛顿力学大获成功以后，不仅牛顿被封了神，力学也同样获得了至高无上的地位。于是，科学家们开始形成了这样的一种观念：力学是成功的，完美的，至高无上的，其他领域的东西只有最终在力学这里得到了解释，才能算是科学。我们要利用力学的世界观和方法论去解决其他领域的各种东西。