愛因斯坦第二假設

谷銳譯 原文︰Slaven

19世紀中頁人們對電和磁的理解有了一個革命性的飛躍，其中以詹姆斯.麥克斯韋（James Maxwell）的成就為代表。電和磁兩種現象曾被認為毫不相關，直到奧斯特（Oersted）和安培（Ampere）證明電能產生磁；法拉弟（Faraday）和亨利（Henry）證明磁能產生電。現在我們知道電和磁的關系是如此緊密，以致于當物理學家對自然力進行列表時，常常將電和磁視為一件事。

麥克斯韋的成就在于將當時所有已知的電磁知識集中于四個方程中︰

（如果你沒有上過理解這些方程所必需的三到四個學期的微積分課程，那麼就坐下來看它們幾分鐘，欣賞一下其中的美吧）

麥克斯韋方程對于我們的重要意義在于，它除了將所有人們已知的電磁知識加以描述以外，還揭示了一些人們不知道的事情。例如︰構成這些方程的電磁場可以以振動波的形式在空間傳播。當麥克斯韋計算了這些波的速度後，他發現它們都等于光速。這並非巧合，麥克斯韋（方程）揭示出光是一種電磁波。

我們應記住的一個重要的事情是︰光速直接從描述所有電磁場的麥克斯韋方程推導而來。

現在我們回到愛因斯坦。

愛因斯坦的第一個假設是所有慣性參照系中的物理規律相同。他的第二假設是簡單地將此原則推廣到電和磁的規律中。這就是，如果麥克斯韋假設是自然界的一種規律，那麼它（和它的推論）都必須在所有慣性系中成立。這些推論中的一個就是愛因斯坦的第二假設︰
光在所有慣性系中速度相同

愛因斯坦的第一假設看上去非常合理，他的第二假設延續了第一假設的合理性。但為什麼它看上去並不合理呢？

火車上的試驗

為了說明愛因斯坦第二假的合理性，讓我們來看一下下面這副火車上的圖畫。
火車以每秒100，000，000米/秒的速度運行，Dave站在車上，Nolan站在鐵路旁的地面上。Dave用手中的電筒“發射”光子。

光子相對于Dave以每秒300,000,000米/秒的速度運行，Dave以100,000,000米/秒的速度相對于Nolan運動。因此我們得出光子相對于Nolan的速度為400,000,000米/秒。

問題出現了︰這與愛因斯坦的第二假設不符！愛因斯坦說光相對于Nolan參照系的速度必需和Dave參照系中的光速完全相同，即300，000，000米/秒。那麼我們的“常識感覺”和愛因斯坦的假設那一個錯了呢？

好，許多科學家的試驗（結果）支持了愛因斯坦的假設，因此我們也假定愛因斯坦是對的，並幫大家找出常識相對論的錯誤之處。

記得嗎？將速度相加的決定來得十分簡單。一秒鐘後，光子已移動到Dave前300，000，000米處，而Dave已經移動到Nolan前100，000，000米處。其間的距離不是400，000，000米只有兩種可能︰

1、 相對于Dave的300，000，000米距離對于Nolan來說並非也是300，000，000米
2、 對Dave而言的一秒鐘和對Nolan而言的一秒鐘不同

盡管听起來很奇怪，但兩者實際上都是正確的。