1、迈克尔逊莫雷实验1、 “以太”的历史“以太”的概念有着漫长的历史。古希腊时代，以太指的是青天或上层大气，有时也表示占据天体空间的物质；亚里士多德就曾把它视为构成天体的基本元素。17 世纪的笛卡儿首先将以太引入科学，并赋予它的力学性质。在笛卡儿看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用。因此，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力。他甚至试图用以太的涡漩来说明天体的运动，例如提出涡漩携带着行星绕太阳转动。光的波动说的始祖胡克和惠更斯为解释光现象，都假设存在着以太。牛顿也像
2、笛卡儿一样反对超距作用并承认以太的存在。在他看来，以太不一定是单一的物质，因而能传递各种作用，如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动，但以太的振动不是光，因为光的波动学说（当时人们还不知道横波，光波被认为是和声波一样的纵波）不能解释现在称为的光的偏振现象，也不能解释光的直线传播现象。18 世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律而使牛顿的追随者起来反对笛卡儿哲学体系，连同他倡导的以太论也在被反对之列。随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功以及探寻以太未获实际结果，使得超距作用观点得以流行。光的波动说也被放弃了，微粒说得到广泛的承认。到 18 世
3、纪后期，证实了电荷之间（以及磁极之间）的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃，超距作用的观点在电学中也占了主导地位。进入 19 世纪，由于光的波动论的复活和电磁理论的发展，以太问题成为科学家研究的热门课题。在 19 世纪上半叶，所有研究以太问题的人都是期望建立一个合理的光理论而探讨它的，阿拉戈实验和光行差被看作是这个理论的试金石。后来人们着手讨论光行差理论，也是期望它能提供一种以太模型，以便利用这种以太模型解决光的横波理论所面临的严重困难。菲涅耳用波动说成功地解释了光的衍射现象，他提出的理论方法能正确地计算出衍射图样，并能解释光的直线传播现象。菲涅耳进一步解释了光的双折射，
4、获得很大成功。1823 年他根据杨的光波为横波的学说和他自己 1818 年提出的透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定，在一定的边界条件下，推出关于反射光和折射光振幅的著名公式。 菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式。1818 年他为了解释阿拉戈关于星光折射行为的实验，在杨的想法基础上提出：透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比，他还假定当一个物体相对以太参照系运动时，其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动（以太部分曳引假说） 。由此即可得出物体中以太的平均速度为 ，其中 v 为物体的速度。系数)1(2n称为菲涅耳系数。利
5、用以上结果不难推得：在以太参照系中，运动物体内光的)1(2n速度为： cos)1(2ncu其中 为 u 与 v 之间的夹角。上式称为菲涅耳运动媒介光速公式。它为以后的斐索实验所证实。 19 世纪中期曾进行了一些实验以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应，并由此测定地球相对以太参照系的速度 ，但都得出否定的结果。这些实验结果可从上述菲涅耳理论得到解释。根据菲涅耳运动媒质中的光速公式，当实验精度只达到 量级时，地c球相对以太参照系的速度在这些实验中不会表现出来。要测出 ，精度至少要达到的量级（估计 ） ，而当时的实验都未达到此精度。在杨和菲涅耳的工2c8210c作之后，光的波动说就在物理学中确
6、立了它的地位。2、以太的实验研究1870 年前后天文学家关于光的传播方式的研究发生了兴趣。引起他们兴趣的直接原因是迈克尔逊莫雷实验，可是另一个重要的因素是麦克斯韦的电磁理论，该理论大大提高了以太在物理学中的地位。1879 年，麦克斯韦又提出了一种探测以太方法：让光线分别在平行和垂直于地球运动的方向等距离地往返传播，平行于地球运动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间。1888 年，赫兹的实验不仅仅是证实了麦克斯韦的预言，在当时物理学家的心目中，它也是以太存在的明证。在以太问题的研究中，一个最恼人的问题是以太漂移问题：地球通过以太运动，二者的相对运动究竟是怎样的？17 世纪，英国天文学家布雷德利
7、（JBradley，16931762）为了寻找回地球公转所引起的恒星视差，从 1725 年 12 月到 1726 年 12 月持续进行观察，发现恒星表观位置在一年内确有变化；这就是所谓的“光行差”现象。这样，当地球绕太阳转一周时，观察恒星用的望远镜也必须转一小椭圆形。布雷德利认为这个现象是由于光速 c 是有限的和地球的公转引起的，他利用两个速度的合成来解释光行差现象。这种解释是建立在光速和地球公转速度互相独立的前提上的，它极其自然地被光的粒子说所接受。按照以太理论，在地球上静止的玻璃块穿过以太运动时，以太要穿过玻璃流出，这样在玻璃块内部，光的波速应该依赖于内部光线方向和“以太风”方向之间的夹角
8、，因此对于以不同方向穿过玻璃的光线也应该是不同的。玻璃的折射率等于光在玻璃内外的波速之比，从而应该随穿过玻璃的光线方向而变化。通过测量玻璃在空间不同方向的折射率，原则上应该检测到地球相对于以太的运动。1851 年，斐索做了运动媒质中光速的实验。从在地球上处于静止的光源发出的单色光由平面镜反射，通过透镜变成平行光，然后被两个狭缝分成两束，从 U 形玻璃管的两端进入。入射光线经过另一组透镜和平面镜的作用，从而使反射光线发生了交换。当 U 玻璃管通入水流时，其中一条光线总是在顺水方向上沿玻璃管传播，另一条总是在逆水流的方向传播，最后使两条光干涉。实验如图 1 所示：从水银灯 L 发出的单色光落在 P
9、1 上。P1 上涂一层银的半透膜，它刚好使一半发生反射，另一半直接透过至 M1 并被 M1 反射。这样，就得到了两束强度相等的平行光、然后借助 P2、M 2 观察两束光的干涉现象。做好上述准备后，再从 A 中注入高速水流从 B 流出。由此，在 M1P2 水管中水流与光线边向而行，在 P1M2 水管中，水流与光线同向而行。如果水流速度像风速影响声速那样影响光速，则在 M1P2 管中，光与水流的合成速度将是 c，在 P1M2 中则是 c。斐索用各种不同的水流速度做了精确的测量。所得到的减少或增加量均不满足低速运动物体（如声音和空气）的速度合图 8-10 为菲索实验原理图成规律，却与上述包含菲涅耳曳
10、引系数的速度加法相一致。斐索利用波长为 5.26107 米的黄光，U 形管臂长 1.487 米，水的流速是 7.059 米秒。根据菲涅耳理论计算，干涉条纹的移动应是 0.2022，实测值是 0.23。这两个值几乎相等。从而大大提高了菲涅耳理论的威信。这也说明，在一阶 /c 的精度内，光现象不受地球相对以太运动的影响。这就从实验上证明了菲涅耳曳引的正确性。只是 19 世纪的物理学家不能理解它的运动学原理。此后，艾里（GBAiry， 18011892）在 1871 年用充水的望远镜观测恒星光行差，在 /c 一阶量的精度内证实了菲涅耳的理论。霍克（MHoek）在 1868 年，马斯卡尔特（E Mas
11、cart ， 18371908）和雅明（JCJamin，18181886）在 1874 年报告，他们根据相同的原理，用干涉仪做了实验，也得到与阿拉戈实验类似的结果。这清楚地说明，在精确到 /c 的一阶量，用光学用仪器无论如何也检测不到地球相对于以太的绝对运动。当光通过的以太相对于实验室运动时，可以看到干涉条纹的移动。3、迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊（AAMichelson，18521931）出生在普鲁士和波兰之间一块有争议的领土上的一个中产阶级家庭。4 岁随同父母经由巴拿马、纽约，最后到旧金山侨居。1869 年，迈克尔逊在海军学院深造。1873 年毕业后，被任命为海军学院的物理讲师，从此他以光速的
12、测量开始了他的科学生涯。迈克尔逊是出色的光学专家，也是一位科学的艺术家，他的最大乐趣在于实验本身的优美和使用方法的精湛。1907 年，迈克尔逊“由于在精密光学仪器、光谱学、计量理论研究方面所取得的成果”而荣获诺贝尔物理学奖金，从而成为获得这一领域最高荣誉的第一个美国公民。在 1880年到 1882 年间，迈克尔逊获准在德国和法国等地进行研究和进修。1880年至 1881 年冬，当迈克尔逊在亥姆霍兹的实验室工作时，在仪器制造商的帮助下，他设计并组装了一种干涉仪，想以此实施麦克斯韦的建议，检测地球和以太的相对运动。1885 年，迈克尔逊和莫雷（EWMoney，18381923 ）合作，准备以更高的
13、精度重复 1881 年的实验。莫雷是高水平、老资格的实验家，是一位著名的化学教授，迈克尔逊这时也是克利夫兰的凯斯应用科学院的教授了。1886 年初，他们重复了斐索 1851年的以太曳引实验，完全证实了菲涅耳的曳引系数。第二年 7 月，他们以更高的精度（10 10 ）在凯斯西方预备大学重做了 1881 年的以太漂移实验。为了提高精度，他们开动脑筋，想出了种种办法。首先，去掉了托架，而把整个仪器固定在厚 25 厘米，边长为 1.5 米的正方形石板上，并把石板安装在圆形台座上，一起放入盛满水银的金属圆筒中。这样一来，整个装置就悬浮在水银面上，可以极平稳地转动。如图 812 所示，干涉仪安置在地球上不
14、动，它相当于以太以速度 流过干涉仪。设从光源 S 上的一点 P 投射一束光到达半镀银镜 M 上，使入射光的一半透射至 M；，反射回 M，再经 M 反射至观察者 E。另一半经 M 反射至 M1，再经M 透射至观察者 E。按照菲涅耳的以太假说和经典速度合成，在光程 MM1 上光的速率为c+ ；回程 M 1M 上的光速为 c。全部光程所需时间为：2)/(1cllt 图 8-12 为迈克尔逊干涉实验原理图 图 8-11 为迈克尔逊在 MM2 光程上，光的往返速度均为 。往返全部光程的时间为：2c222 )/(1cllt两条光程光线往返所需时间相差211212 )()(ccltt 式中 c，经二项式展开
15、后，可只保留头两项，得：3222 )(1)()(1 clclcclt 如果整个干涉仪旋转 90，则该差值增加一倍理论计算所能观察到的干涉条纹移动最大数目为22cltTtNc在迈克尔逊的光干涉实验中，=11 米，=5.510 7 米， “以太风”的速度（即地球的自转）310 4 米/秒，光速 c=3108 米/秒因此，理论计算应该观察到的条纹移动是：(条)4.0)13(05.22847为了尽可能增大光程，他们适当地安置反射镜，使光在石板对角线往返 8 次。按照计算，干涉条纹位移是 0.4，但实测位移可以观察到 0.01 根条纹的移动。而迈克尔逊所观察到实际位移比理论值的 1/40 还要小。根据干
16、涉条纹位移与速度的平方成比例的关系。迈克尔逊断定，地球与以太之间的相对运动速度不到地球运动速度的 1/6。这个“非常小的” 、 “不明确的”以太风运动速度，被后来更精确的实验所消除。但是，即使这个不明确的因素不被消除， “以太风”的假说也是不能成立的。迈克尔逊和莫雷在同年 12 月发表的实验报告中说：“似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定也是很小的；小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。 ”由此可见，无论从迈克尔逊做实验的动机来看，还是从他对实验结果的解释来看，该实验都不是以否定以太或绝对参照系为主旨的，这从他两项实验报告的题目也可窥见一斑。1887 年，迈克尔逊和莫雷他们
17、又进行了一次更高精度的测定以太漂移的干涉实验，更进一步地证明了地球相对于以太的漂移速度为零。迈克尔逊莫雷 1887 年的实验并不是判决性的，洛仑兹对实验的否定结果依然疑虑重重；瑞利在 1892 年发表的一篇论文中认为“地球表面的以太是绝对的静止还是相对的静止”，依然是一个悬而未决的问题，他觉得迈克尔逊莫雷实验的否定结果是“一件真正令人扫兴的事情” 。开尔文甚至在进入 20 世纪之后还不甘心实验的否定结果。1900 年，在巴黎国际物理学会议上，开尔文敦促莫雷和米勒（D CMiller，18661941）重做一次实验，以便得到一个比 1887 年实验更为肯定的结果。迈克尔逊莫雷实验并未否定以太的存
18、在，但这个实验却促使物理学家对以太与有质物质的关系问题发生了浓厚的兴趣，导致他们进行了一场旷日持久的智力竞赛。对以太问题的理论探讨和实验研究的热潮一直持续到 20 世纪头 10 年，甚至延续到狭义相对论出现以后。1900 年 4 月 27 日，英国著名的物理学家开尔文勋爵作了题为热和光的动力理论上空的 19 世纪之乌云的长篇讲演，指出古典物理学本来十分晴朗的天空上出现了两朵乌云，其中一朵就是迈克尔逊莫雷实验的零结果（另一朵乌云是麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说） 。实际上，物理学天空上有着大量新现象与已成完美体系的古典理论之间存在着矛盾，且酿成了深刻的危机。肯定无疑，迈克尔逊莫雷实验，是 19 世纪重要的物理学实验之一，实验本身的优美和所用方法的精湛是惊人的，它对洛伦兹等人电子论的建立、以及对爱因斯坦创立的狭义相对论都曾产生过直接或间接的影响。
