发生了什么？相对论诞生前夜，经典物理学差点崩溃

相对论是近代物理学的两大基石之一，即使是不了解它的人也都听说过尺缩效应。对于不了解相对论的人来说，尺缩是非常难以理解的。本文将以经典物理学的视角，带您回顾相对论诞生之前，物理学在面对新现象时所遭遇的困境。

一、菲茨杰拉德收缩

假设你有一根木棒，当然了铁棒、铜棒不管什么材质的都可以。现在让这根木棒以极高的速度运动，开始的时候木棒指向与运动方向垂直。现在将这根木棒旋转90°，让其指向与运动方向相同，木棒就会收缩，其沿着运动方向的长度比开始运动的时候要短一点。

这个收缩就是著名的菲茨杰拉德收缩，在大多数情况下都是极小的。这种收缩与棒的材质无关，而仅仅与其运动的速度有关。以地球绕日公转速度30577.536千米每秒为例，地球在公转切向上直径收缩了0.0635米。

这种收缩为大量的实验所证明，是真实存在的，其中最著名的就是1887年迈克尔逊与其助手莫雷所做的实验。这个实验后来由莫雷与米勒在1905年在更高精度上重新做过，近些年也有科学家在重新做。迈克尔逊干涉仪现在非常普遍，很多高校物理系本科生都在重复这个实验。

我也搭建过一个干涉仪做过这个实验，所以这里不重复了。这里不想对这个实验做什么解释，只想重申的是，这种收缩现象是真实存在的。

二、经典物理对收缩现象的解释

如果您熟知物理学史，就会明白在发现这个现象的这个时间段里，木棒仅仅因为高速运动就会缩短是无法理解的。因为当时原子结构还没有搞清楚，在物理学家眼中，木棒是由实体性的物质所占据的连续空间组成的，这种收缩显然是一种非自然的收缩。

直到爱因斯坦的狭义相对论发表6年之后的1911年，卢瑟福在用阿发粒子轰击金箔的过程中，才发现了原子核的存在，后来逐步形成了我们今天认识到的原子结构。即原子是由带正电的原子核及核外高速运动的电子组成的，在电子与原子核之间有巨大的空间。

利用原子结构，结合电磁理论，就可以很好地解释这种收缩现象。当木棒静止时，组成木棒的这些带电的微观粒子保持着一种平衡状态，所以木棒以固定的体积和形状存在。当木棒高速运动时，这些带电粒子就会形成电流，电流又会产生磁场，从而在运动方向和垂直于运动方向上粒子所受到的力不同，在运动方向上，组成木棒的电荷之间的距离被压缩，所以木棒缩短。

1900年，在不清楚原子结构的情况下，洛伦兹利用电磁理论计算了因电荷运动的变化产生的磁力破坏平衡之后，重新恢复所需要的粒子之间平均间隔的变化，得到了著名的长度与速度关系公式——洛伦兹变换。

三、洛伦兹对收缩现象的解释所带来的麻烦

毫无疑问的是，通过洛伦兹变换所得到的计算结果有大量的实验可以证明其精确性。同时，洛伦兹变换也是麦克斯韦电磁理论的必然结果。然而这真的可靠吗？即使你不是物理学家，也会意识到洛伦兹解释所带来的麻烦。

由于我们的地球在自转的同时还在围绕太阳公转，当你用一把尺子去测量某个物体的长度的时候，就必须要考虑在运动方向上的改变，而事实是，这种情况从未发生。按照洛伦兹对尺缩效应的解释，除非地球是完全静止不动的，否则这种现象必然要发生。

尺子

我们知道，物理学是建立在测量的基础之上的，如果洛伦兹的解释是正确的，那么物理学测量的基础将不复存在。对于日常生活中的绝大多数现象来说，速度引起的尺缩效应是极其微小的，但如果考察整个宇宙的话，这种现象就不能忽略，天文观测表明，有很多星球相对地球做高速运动。

如果洛伦兹解释是正确的，那么那个星球将与我们地球完全不同，因为在它们将在不同运动方向上，尺度发生巨大变化。更直接一点说，如果你站在那个星球上，你的手垂直放下的时候是60厘米，而水平伸出的时候可能是30厘米。

这种事情有可能发生吗？至少在地球上，这种事情从来没发生过。难道是因为地球是处于缓慢运动中造成的吗？很显然不是，没有证据表明地球的运动速度是缓慢的，经典物理学告诉我们，运动是相对的，如果我们是站在遥远的星球上，回头来看地球的话，则地球同样在做高速运动。

如果洛伦兹对尺缩效应的解释是正确的，那么必须回答是什么抵消了高速运动带来的收缩。

结束语

通过前面的分析我们看到，在新的实验事实（尺缩效应）被发现以后，如果洛伦兹的解释是正确的，则动摇了以测量为基石的经典物理学。很显然，尺缩现象造成了逻辑上的不自洽，急需一种新的理论来诠释这种现象，而在更精细层面解读这个现象，让物理学重新自洽的理论就是咱们后文要提到的相对论，敬请各位小伙伴期待吧。