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迈克尔逊——莫雷实验

发布日期:2021-01-20

在相对论问世之前,以太的观念就已经不得不离开历史舞台了。以太是由日常经验启发出来的。声音是空气中的波,涟漪是水中的波。所以十九世纪的物理学家自然地想到,光同样必须是在某种东西中的振动,他们就把这种东西称之为以太。正如派斯(Abraham Pais)所说,以太是一个富有奇趣的假想介质,它的引入是为了解释光波的传播。以太也为测量绝对空间提供了一个标度。它可以被想象为一张笼罩着整个宇宙的无形的网,就像地图上的经纬线一样,可以作为测量距离的参考系。


麦克斯韦电磁理论的成功启发了一些人去做实验,目的是测出地球绕日运行穿过以太的速度——也就是“以太漂移”的速度。事实上,正是这其中的一个实验——1887年在克里夫兰的切斯应用力学学院做的——让以太的幽灵寿终正寝。这是搜寻以太的实验中最著名的一个,是由物理学教授迈克耳孙和他的同事莫雷,一位化学教授,一起完成的。基本上,他们的实验是重复迈克耳孙以前的一个实验,在那个实验里误差把结果搞得模糊不清。他们用一个光源向两个方向发射光束,两束光被与光源距离相等的两面镜子反射回来。其中一束光的方向,是沿着设想的地球相对以太运动的方向,另一束的方向与其垂直。


迈克耳孙和莫雷期待发现,在两个相互垂直的方向上光线传播的速度会有不同,这差别可能就是由于地球在以太中穿行的运动而导致的。比如,在地球轨道运动方向上传播的光,会相对以太风逆行。这样,这束光的速度就会比其它方向上的光速慢。分析光的运动就可以知道,垂直于以太风方向的光束,比沿着以太风方向的光束提早被反射回来。两束光被反射回到光源处的时间差,可以计算出来并与实验相比较。但是迈克耳孙和莫雷没有发现一点时间差。为了防止地球绕太阳转动时,以太风的方向发生改变而影响实验结果,他们在一年的不同时间重复同样的实验。但是不管他们如何努力,还是没有观察到时间差别。这就是说,根本就没有以太。


这是一个令人惊奇的结果。诺贝尔奖获得者密立根(RobertMillikan)当时认为,它是一个不合道理的,看上去无法解释的实验事实。看来,不论光是顺着以太风或地球运动方向走,还是逆着走,光的速度并没有改变。如果以太站不住脚了,力学体系本身可能就需要重新改写。静止的以太提供了一个绝对的参考系,它是牛顿心理上需要的,虽然牛顿力学也认为以太是多余的:因为没有办法去探测绝对运动——如果你在火车里放手让一个球落下,则无论火车是停着,还是以不变的速度在行驶,球都将是垂直地下落。人们所能够观察到的,只是两个物体彼此间的相对运动,并不存在什么绝对的参考系。


但是,仍然有一种看来是从逻辑上对以太的需要,因为电磁学并不满足此种相对性原理。电磁作用随着观察者而异,并且看上去确与某个绝对参考系有关:当时就有不同的方法,解释发电机如何把运动转变成电力,电动机又如何把电力转变成运动。因为以太的观念已经站不住脚了,爱因斯坦需要一个新的理论,它对所有的自然现象给出一个统一的描述。结果是他改写了物理学,让迈克耳孙—莫雷实验的否定结果成为新原理的自然后果。


许多作者声称,迈克耳孙—莫雷实验,与另一些或早或晚的实验一起,是对以太致的悼词。这样说无疑是过于简单了。许多著名的物理学家,仍在努力使迈克耳孙—莫雷实验与以太的假说相符合。这当中,最有名的要算是荷兰的洛伦兹和爱尔兰的菲兹哲罗(George FrancisFitzgerald)。他们试图利用上一章中提到过的洛伦兹变换,用物体穿过以太运动时的物理收缩来解释迈克耳孙莫雷的实验结果。这样,以太的假说就可以仍然成立,不过要以一种未经解释的运动物体的畸变作为代价。我们将会看到,这种长度收缩,与爱因斯坦所揭示的世界中的效应相近,我们以后必须习惯于这种效应。


洛伦兹实际上已经接近了狭义相对论的公式,但是他不能摆脱牛顿的绝对时间“经典”观念的束缚,并且紧抱着以太理论不放。法国数学家兼物理学家庞加莱,对牛顿力学造成的问题看得很清楚,他问道:“以太究竟是什么,它的分子是如何排列的,它们是相互吸引还是相互排斥?”他并且热切期望着如爱因斯坦后来提出的根本解决办法。他说道:“也许我们必须建立一种新的力学,对它我们只能够管中窥豹,……在这个新力学中,光速是一个不可逾越的极限。”1904年庞加莱甚至于编造出一个相对论原理。但是按照爱因斯坦自己的说法,看来庞加莱至死都没有搞懂狭义相对论的物理含义。


爱因斯坦本人很久以后才知道上述物理学家的种种努力,他基本上是独立地得出他的理论的。他当时并不熟悉那些在物理学杂志上发表的、时新的研究论文的内容。确实,他一点不知道洛伦兹1895年以后的工作;特别是,如我们将会看到的那样,他从没有听说过洛伦兹变换,但这个变换却在他自己的研究结果中再现了。我们甚至都不清楚,爱因斯坦是否认为,迈克耳孙莫雷实验对他后来的狭义相对论起了决定性的影响,虽然1916年他的朋友心理学家沃斯默( Max Wertheimer)在柏林采访他时,他明确地说过是受到过它的影响。然而,在1954年的一封信中,他坚持说:“在我自己的研究过程中,迈克耳孙的结果对我并没有多大影响。我甚至于都记不清楚,当我写关于这个题目的第一篇论文的时候[1905],我是否知道这一结果。在我个人的奋斗中,迈克耳孙的实验没有起过作用,或者至少是没有起过决定性的作用。


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