在本书的最后，我们来谈一谈以太与能量的关系。前文中有时候我会把这两个概念混用，但它们的确有差别。
若想以正统的方式去理解爱因斯坦博士的狭义相对论，可能无法绕过一个著名的思想实验——火车思想实验。这个实验能让人们意识到“同时性”具有相对性。
在相对论中，同时性是一个非常重要的概念，它对理解相对论中的四维时空体系有很大帮助，可以说，它是相对论体系中对时间定义的一个修补[5]。然而，下面提到火车思想实验并不是为了讲述同时性，而是借用并改动了这个实验模型，以此说明能量、以太数量和速度三者之间的关系。
让我们开始。
想象有两列相同的火车甲和乙以及两根平行的轨道，火车两端分别为A端与B端，在两列火车的中点M处各有一个观察者，而在A端与B端各有一个相同的发光器，可以发出同样频率也就是同样颜色的光线。
这两列火车，列车甲停放在轨道上，而列车乙在快速移动。在某一个时刻，两列火车的空间位置重合。如下图所示。
根据相对性原理我们可以得出结论：
对于静止的列车甲来说，其中的观察者观察自己车上A端和B端发出的光线，其颜色必定相同。而对于运动的列车乙来说，其观察者观察自己A端和B端发出的光线，颜色也必定相同。因此，列车甲中的观察者会认为自己车AB两端发出的光线中的光子能量相同，而列车乙中的观察者也认为自己车AB两端发出的光线中光子的能量相同。
图9-2 火车思想实验（改）
但如果由静止在列车甲上的观察者去观察列车乙的A端和B端发出的光线，他会发现，在两车交会的瞬间，列车乙的A端正在远离自己，而列车乙的B端正在靠近自己，因为多普勒效应，A端发出的光发生了红移，而B端发出的光发生了蓝移。[6]
因此，列车甲上的观察者会认为这两束光的颜色不一样，频率自然也不一样，由A端发出的光线的频率要低于由B端发出的光线。既然两束光的频率不同，其能量自然也不相同，如果用实验来验证，那就是如果由B端发出的光线刚好可以使某一种金属发生光电效应[7]，由A端发出的光线就无法做到这一点。
刚才，我们考虑的是观察者静止，而光源运动的情况。接下来，我们把这两者倒过来，让运动中的列车乙中的观察者，去观察静止的列车甲的A端与B端所发出的光线。
还是因为多普勒效应，列车乙中的观察者会认为列车甲的A端发出的光线频率更高，也就是发生了蓝移，而B端发出的光线频率会低一点，也就是发生了红移。对于列车乙中的观察者来说，列车甲的A端和B端发出的光线，其中光子的能量也不同。
现在奇怪的现象出现了：每列车上的观察者都认为自己车两端发出的光子能量相同，也都认为对方车辆两端发出的光子能量不同，而且，可以用光电效应这类实验对自己的观测结果进行验证。
那么，对于任何一辆列车而言，其AB两端发出光子的能量到底是否相同？
在上面的例子中，我们很难想象静止的列车甲中，其AB两端发出的光子有任何不同，但对于运动的列车乙中的观察者来说，其观测到的光子能量的确不同。因此，我们需要将以太与能量分开，然后这样下结论：
在静止（这里是绝对静止，即相对空间静止）的列车甲中，其AB两端发出的光子内以太元素的成分完全相同，但从AB两端发出的完全相同的光子，在“撞击”列车乙内的观察者时，产生的效果不同——观察者迎面“撞击”的由A端发出的光子的“威力”（或者说能量）比由B端发出的光子的“威力”要大，更容易使金属发生光电效应。
现在，我们可以意识到，两个完全相同的光子，也就是其内部以太元素的构成完全一致的光子，在不同的相对速度下“撞击”它的观察者，其体现的能量是不同的。而“能量”这个词是一个计算值，它与光子内的以太数量有关，也与相对速度有关。
接下来，让我们再考虑另一种情况，即列车乙的AB两端发出的光子是否相同？
现在，列车甲中的观察者是静止的，他观测到运动的列车乙的AB两端发出的光子。我们知道，列车甲中的观察者认为这两者能量不同，而列车乙中的观察者认为这两者能量相同。
要知道，在刚才的情况下，因为列车乙正在运动，所以运动的列车乙中的观察者与静止的列车甲的AB两端发出的两个光子之间的相对速度不同。
现在，列车甲及其内的观察者是静止的，列车乙虽然在运动，但由其AB两端发出的光子在发出以后就不再受列车乙速度的影响，而是保持相同的速度c去“撞击”列车甲中的观察者。因此，既然列车甲中的观察者发现这两束光中的光子频率不同，那么，由列车乙的AB两端发出的光子就必定不同——这里的不同是指构成光子的以太元素的数量不同，即在列车乙的B端向前发出的光子内包含的以太元素，要多于列车乙的A端向后发出的光子内的以太元素。
进而我们可以认为，对于运动中的列车乙内的每一盏灯来说，其向前发出的光子内的以太元素，要比向后发出的光子内的以太元素多。(www.xing528.com)
但是对于运动列车乙中的观察者而言，虽然其前后两端发出的光子（A端向后发出的弱一点的光子，与B端向前发出的强一点的光子）内以太元素的数量并不相同，但因其具有速度，所以，刚好使两边的光子作用到观察者上时的“威力”相同，也就是观测到的能量相同。
现在，让我们总结上面的思想实验。
如果在一个绝对静止的惯性系内，光子的“威力”应该与其内部以太元素的数量相对应。而以太元素的数量是绝对的，它不会随意变来变去，所以，我们似乎可以直接用光子内以太元素的数量来描述光子的能量。
但当光子与其他物体相互作用时，光子与物体之间的相对速度会影响光子的“威力”，它可以使两个以太数量相同的光子发出不同的“威力”，也可以使两个以太数量不同的光子发出相同的“威力”。
而发光者的速度也会影响光子内以太数量的释放。
这几点结合在一起后，便成为对这两列列车都适用的“相对性原理”，即每个列车内部的观察者都认为两边发出的光是相同的。
但我们偏偏没有办法测量自己所在惯性系的真实速度，这使得我们无法准确地描述光子内以太元素的数量，而只能根据我们所在惯性系内这些光子的“表现”来确定光子的“威力”，也就是光子的能量。
所以，在一个理想的状态下，即绝对静止的惯性系内，光子的能量与光子内以太元素的数量成正比。由于我们自身处于速度未知的惯性系内，只能用“能量”这个概念作为衡量与计算的标准，但要清楚，两个对于我们而言能量相同的光子，如果它们的方向不同，其内部的以太元素数量不一定相同。
而如果是绝对静止的惯性系，能量等效于以太，如果是我们人为规定的静止惯性系（如为方便计算，我们想象地球就是这样的惯性系），也可以认为能量正比于以太。而在以太假说中，能量这种物理存在，其实是以太、相对速度、以太海密度这三者共同形成的一个计算数值。
但人类可能永远也无法得到以上所描述的理想状态。因为我们只能通过一些物理现象证明以太海的存在，依然无法直接观测到以太，更无法对“空间”展开观测与定位。
因此，我们也许永远都无法知道自己所在的惯性系到底在空间中是以怎样的速度运动，也无法知道我们所在的位置上以太海的密度到底是多少。
“绝对”和“相对”就像一对双生子，它们都很重要。虽然“绝对”的时空也许才是物理学的本质，但我们只能通过“相对”的时空对物理世界进行研究，幸好我们可以在数学上证明这两者是等效的。
而能量与以太也是这样的一对双生子：以太是本质，但其不可测量；能量是表象，我们可以对其测量与计算。
巧合的是，以太这个词的提出者是古希腊哲学家亚里士多德，其实能量这个词也是，这就像我们人类文明中，一个美妙的起点。
【注释】
[1]历史上，还有其他理论试图对引力进行解释，比如有名的弦论，在此我们就不过多探讨了。
[2]万有引力与距离的平方成反比，这可以根据以太海密度与距离的关系，以及光子在密度不同的引力场中的偏移行为计算得出。
[3]红移：星体发出光波的波长因为某种原因增长。
[4]假设宇宙中不存在任何天体时的以太海密度。
[5]本书没有展开介绍同时性这个概念，对它有兴趣又不熟悉这个思想实验的读者可以自行搜索，任何关于相对论的科普书籍都会详尽地阐释这个概念。读者可以将其与以太观念下的思路进行对比，这样或许有助于我们更好地理解“时间”。
[6]在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高，即蓝移；而在运动的波源后面，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低，即红移。
[7]光电效应：只有在高于某特定频率的光波照射下，某些物质内部的电子才会被光子激发出来。
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