卧看满天云不动全诗(卧看满天云不动此花开尽更无花)

下午，巨大的落地窗前，一张藤编的小圆桌，两把靠椅。桌上一圆壶茶，茶叶的尖不时地撞着水面。张三和老魔分坐两边。

张三没带问题来，只是打算跟老魔闲聊。

他好像知道老魔是一个不太能很痛快的把事情说清楚的人。只要是一个小问题总不能得到很利索的答案，今天打定主意沉下心来好好听一听。

张三沉默了一下，说：你今天打算怎么折腾我？

老魔：参考系。

张三：我知道，学校讲这一个的时候，总爱搞些诗句，什么两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山，飞流直下三千尺等等，记不住太多，最爱的是那句卧看满天云不动，不知云与我俱东。全诗我还特意看了一下，前两句是飞花两岸照船红，百里榆堤半日风。你瞅瞅人（家）的境界。

老魔：嗯，你继续

张三：啊？什么继续。

老魔：诗句之后啊，不能说背了两句诗就说了参考系是什么了吧？再说了，诗只是帮助你理解而已，那我这么问你，诗句给你最大的感受是啥？

张三：最大的感受·····可能就是换个视角看问题，这么一来，世界很奇诡，全新的体验。

老魔：那你的意思，参考系就是换个视角看问题？具体到物理里面那就是换个角度看物体运动？

张三：大概是这个意思。

老魔笑道：参考系不是你看的那个东西，而是你站在那个地方看，你就是参考系，或者说参考系就是你。

张三：参考系就是观察者？

老魔：是的。更具体的定义是研究物体运动的时候所选定的物体或是彼此不相对运动的物体体系，就比如你上面说的对于两岸而言，我和云包括船就是不相对运动的物体体系。这个时候不论是把你的眼光放在哪里进行观察效果都是一样的。

张三：对，我就是这个意思，观察物体运动嘛，换个角度或是换个思路，可能问题就不一样了。

老魔微微一笑：差不多是这个意思。一般来说考察物体的运动是可以随便选择参考系的，这就会产生像你说的那种不同以往的观察结果。

张三：就这？这也没什么难以理解的嘛！！！

老魔：确实是，如果只是研究物体的运动，确实对在哪里观察，选择什么样的参考系，没有要求，随你的心情和需要。那你知道以太吗？

张三：听说过，好像是跟牛顿有关。

老魔：确实跟牛顿有关，但是也不全然是他的缘故，接下来我希望可以厘清这里的关系。

张三：那你先说说以太这个东西。

老魔：其实，以太不是牛顿搞出来的，这里我不太愿意搞历史，原因呢也很简单，它很艰涩，虽然在对某个事物的建设过程中有其自有的逻辑，也不能说全然无用。但是对于用我们现在的眼光来理解自然规律，把概念的内核搞清楚就很好了，不然还得受到古老内容的纠缠，自以为得不偿失。

顿了顿，继续~~~

以太的原意是亚里士多德假想出的一种元素，在古代哲学中，一般认为，自然万物是由几种简单的元素构成的，比如亚里士多德认为的水，火，气，土，而以太是居于天空上层的一种气，天空中的一切事物都存在其中。在中国也有类似的，比如五行阴阳。

张三：等等，你说这些跟咱们今天聊的有啥关系啊。这些老掉牙的古哲学跟物理学有啥关系？

老魔：其实自然界是万物构成在自然元素被搞清楚之后相对来说是比较容易分辨清楚的。只要对每种物质慢慢进行测量就好了。这里有一个关键的点，那就是物体所存在的基础。

张三：嘟嘟~~~~什么是物体的存在基础？

老魔：也就是介质，物体的运动和存在就在这个基础上，跟空间有点相似但有不是。上面的以太就是那种物质，在后续的发展中以太表示为占据天体空间的物质。后面笛卡尔认为物体之间力的相互作用需要介质来传递，而空间不是空虚的，那么就认为以太是这种物质弥漫在整个空间里，作为填充物并且承担一切物质的作用的介质，但是，以太不能被感知。

张三：你怎么越说我越糊涂啊？

老魔：这要源于一种认识，自然界是厌恶真空的，我们现在是知道宇宙中大部分是真空的，就是里面啥也没有，空间还能支棱着。但在那个时候大家可不这么认为，物理学家随着对光认识的发展，也推动这对以太的定义不断具体。你想啊，既然是介质，那就是对任何物质都有作用。

张三：这跟光怎么又扯上关系了？我服了，你还是继续吧。

老魔：你这个算是猜对了，我还得继续，其实一开始的以太定义趋近于幻想，而后面的不断发展，其实是结合对光的研究开始进行的。你知道光有哪些性质吗？

张三：这个我是知道的，直线传播，折射，反射，是一种波，等等吧？

老魔：对也不全对，光是波也是一种粒子，这个你应该了解过吧？反射，沿直线传播，说明光是一种粒子，跟物体的运动相似。而折射，还有衍射，干涉等等说明光跟声波一样的像波的特征。这一时期几乎是随着光的研究需求不断的对以太的概念加以完善。

张三：结果呢？

老魔：结果以太就被定义成是一种刚性的粒子，十分地坚硬，弥漫在整个空间中，同时又是如此稀薄，以致物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力。几乎是符合对光的介质的定义。

张三：为啥是几乎？

老魔：因为光的传播不需要介质，在真空就能传播。光的本质就是电场和磁场之间的相互感应的传播。这是我们后来知道，不像是机械波那样必须有相应的物质基础，也就是介质。

张三：得了，终于算是知道了以太的定义了。那以太跟参考系有啥关系？

老魔：这不就是一个现成的参考系吗？相比于一个在研究对象的时候才找参考系，这个任何物质都存在其中的以太不是更合适吗？不论是物质还是各种运动都依托于这个以太，以一个统一的参考系来定那不就更好了吗？也省下了来回变换的麻烦。

张三：不对，如果真的存在这个参考系，那么参考系在原来的定义下，可以随研究对象是否方便来随便选，这两个不就矛盾了？

老魔：其实这也是物理学家比较纠结的地方，不过，这个纠结问题不大，伽利略变换听说过吗？

我找了个图你看一下，研究的是p点的运动，红坐标系和蓝坐标系之间有个像左边公式的换算。假使红系就是以太，那么以蓝系为参考系来研究p的运动，就可以通过这个公式把相应的位移，速度变换到以太的坐标系里。当然多说一句，加速度和力在以太系里看起来也是一样的。

张三：不对，还是不对！虽然说不大上来，这么问吧？物理学家既然随便找的参考系和一个以介质为参考系一样，那为啥要纠结这个呢？这俩既然是可以相互换算的，也就是平级的，为啥非要找到一个一致的？这东西又不像语音一样非要统一。

老魔：你这么理解是可以理解的。至于为什么要觉得以太是必要的，要从牛顿定律的特性说起，牛顿的前两个定律是分别描述物体在不受力和受到力的情况，力和加速度之间产生联系，知道了加速度和初始速度，原则上，只要知道物体的受力情况和初始的速度和位置，那么就可以推断出任意时间物体的运动状态，从宇宙的开始到结束都是没问题。这个结果是非常完美的。但是别忘了还有一个第三定律，那就是物体受到的力就一定会给一个反向的力。

张三：你好像还是没说清楚啊，第三定律会影响牛顿的伟大设想吗？

老魔：会的。这三个定律是一体的。或者说一个系统，在这个系统里才能完整的表述，我这里举一个反例：假设你在一辆加速的公交车里，这个公交车很长，你脚踩在一个光滑的铁板上。这里有两个观察角度，

Ⅰ我站在公路上，我看到你其实是静止的。按照牛顿定律，因为你要保持惯性，在水平方向是不受力的。

Ⅱ以公交车为参考系，你会是向后加速运动的。如果你平时坐车的话，在车况不好的时候就会有这种感受，突然的后仰或者前倾，好像是突然受到一个力的感觉。

在这两种情况下，尤其是后者，明明没有施力物体，你受到的力哪里来的？很显然，在不同的参考系下，你运动情况依然可以遵循运动规律来考察，但是，结合受力的情况的时候，就产生了不同的效果。

张三：别的先不管，那这个力怎么来的？

老魔：你看啊，按照牛顿定律，你加速了！那么就一定有力。这个是第一个证据，但是，你也知道你站在光滑的地面，那么就不是车给你的力。我站在街边，也没有看到你受到力。那么这个力的来源只有一个可能了，就是由于车的加速度的这种运动情况给你的力，

张三：这貌似也没啥问题啊？无非是在这种情况受到了力呗？

老魔：你以为自然界是神魔世界啊？能凭空产生东西，你受到的力来源是哪里总得找个原因啊！

张三：既然这样，那就算了。那你继续

老魔：刚才问题的回答其实也是把参考系选择的矛盾重现了一下。我给你点时间，你略微思量一下。一方面：假定以太是存在的，一种绝对的参考系，作为空间填充的物质，而牛顿定律在这里是成立的。可以从宇宙开始到宇宙结束，只要能力足够都能算出来。你想知道哪个时间点发生了什么，只要会推导就完全没问题。这个我们管他叫机械宇宙观。另一方面，只是不让你随便选择参考系，甚至只是某些参考系。如果是你，你怎么办？

张三：好吧，牛顿万岁。如果我是那个时候的人，我也这么选！

老魔：你这么想就狭隘了，或者说是一叶障目，老是纠结在参考系里了。参考系只是基础，关键还得是看我们的研究对象是什么？

张三：好吧，你继续。

老魔：到这个点上了，那就铺开说，在现在的物理意义上说，物体的运动主要包括的是机械运动，也就是牛顿定律的主要对象，剩下的还有机械波，另外还有光波，在一度认为这两者都是一样的。还有一类就是物质的特性，在一般规律上特殊的物质的运动和表现出来的独特的性质。所谓选择参考系其实就是为了这些描述方便而设定的。

张三：嗯，这个貌似更加方便使用数学工具，

老魔：既然在绝对的参考系之下的设定，定律能够对自然宇宙的描述达到前所未有的高度，那么就只剩下一件事了。

张三：哪件事？

老魔：寻找以太！！！

张三：啥？你说了这么半天，还得找？

老魔：是啊，你想，以太或者说这种特殊的参考系是牛顿物理体系的基础，而牛顿物理又是在地球上也成立的，说明地球就很特殊了，换句话说，完全可以把地球当做是宇宙的中心原点。这是一个无比具有吸引力的事。

张三：确实，如果这种理论如果真的成立，确实就很伟大了，比以前的那种纯靠思考来的东西牛多了，后来以太怎么找的？怎么到你这里貌似还不确定的感觉？

老魔：是啊，我说了这么多，说明白以太是什么了吗？没有。在一开始的一种假想，到后面物理学家为了完善理论而不断的完善的一种假想物质。因为，我也说了，这个过程是随着光的研究而不断进行完善的。

张三：那是怎么找的？

老魔：既然以太是一种特殊的参考系，以前我们是以参考系来研究物体运动，寻找参考系无非就是按照参考系的特征，从物体的运动出发来寻找参考系。我多问一句，机械波和光波运动有什么区别或者特点吗？

张三：这个是普及过的，机械波在不同介质的速度是不一样的，比如，声波的速度在空气和铁轨里传播速度不一样，而光是恒定的速度。

老魔：对了，光速恒定这件事，在对光的研究过程中，导致在对以太进行性质判定的时候，以太是静止的，不参与运动。绝对静止，就是我们要找以太的一个特征。那就迈克尔逊-莫雷实验。这里给你看一个图。

让一束光通过分光镜来分成两束光，成相互垂直的状态，然后再把整个系统整体向右运动，速度是v。通过反射回来，会在观测屏上形成干涉条纹，通过伽利略变换，可以知道，水平的光速和竖直的光速是不一样的，所以，可以通过调节整个实验系统的速度可以看到不同的观测条纹。

张三：额~~~理论上貌似可行，可是，光速的很大的啊，这个仪器那么精致，不好快速移动吧？

老魔：你这个问题问的好，没关系啊，要知道地球的自转是很快的啊，坐地日行八万里，那么在地球自转的方向上调转方向就可以了。再者，干涉条纹的观察其实可以测量到非常精细的数值。

张三：那结果呢？

老魔：这个干涉条纹没有变化，不仅如此，他俩人还在不同的方向上进行多次的实验，结果依然是没有变化。

张三：说人话，那结果到底是啥样的？

老魔：按照实验的结果来看，无论怎么运动实验装置，测得的光速在这作过程中运动的速度没有变化，也就是你那个光速恒定的具体的实验过程。

张三：哎，你这人不老实，别打哑谜。

老魔：接下来的思考就是，光的速度不受参考系的影响，或者说我们假设的那个装置移动的速度v是零。我们知道，参考系其实是可以相互的，若以光的运动为参考系的话，那么以太就没有相对运动，无论选择什么样的参考系，测得的光速都不变的。跟以太的假设的特性是不相符的。所以，爱因斯坦就认为，既然光的速度是恒定的，那么作为绝对参考的以太就没必要存在了。

张三：那照你的意思，前面你也说了，牛顿定律成立的基础是惯性参考系，而以太就是，那么你这里证明以太不存在了，牛顿定律是不是就不成立了啊？

老魔：一定程度上确实可以这么说。

张三：可是生活中牛顿定律还是成立的啊。这个怎么解释。

张三表现的很激动，欲要起身，

老魔：不着急，不着急，你看天也黒了，要不改天再说？这才挖了一个坑，改天咱们说说牛顿定律的毛病，还不仅仅表现在以太的问题上。

张三饮尽剩茶，慢步而去。

不过放心，我们的故事还在继续

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