邁克爾遜-莫雷實驗(否認以太存在的著名實驗)

邁克爾遜—莫雷實驗,是1887年邁克爾遜和莫雷在美國克利夫蘭做的用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光的光速差值的一項著名的物理實驗。實驗結果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的,由此否認了以太的存在,從而動搖了經典物理學基礎,成為近代物理學的一個開端,在物理學發展史上佔有十分重要的地位。

關於邁克爾遜—莫雷實驗的解釋,喬治·菲茨傑拉德、里茨與德·希特、洛侖茲、愛因斯坦等人均作出了重要貢獻。

實驗背景

隨着光波動理論的發展,19 世紀流行着“以太”學說。那時,由於對光的本性知之甚少, 人們套用機械波的概念, 想像必然有一種能夠傳播光波的彈性物質, 它的名字叫“以太”。許多物理學家們相信“以太”的存在, 把這種無處不在的“以太”看作絕對慣性系,用實驗去驗證“以太”的存在就成為許多科學家追求的目標。

當時認為光的傳播介質是“以太”。由此產生了一個新的問題:地球以每秒30公里的速度繞太陽運動,就必須會遇到每秒30公里的“以太風”迎面吹來,同時,它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生,引起人們去探討“以太風”存在與否。如果存在以太,則當地球穿過以太繞太陽公轉時,在地球通過以太運動的方向測量的光速應該大於在與運動垂直方向測量的光速。

實驗過程

1887年,阿爾伯特·邁克爾遜(後來成為美國第一個物理諾貝爾獎獲得者)和愛德華·莫立在克里夫蘭的卡思應用科學學校進行了非常仔細的實驗。目的是測量地球在以太中的速度,即以太風的速度。

如果以太存在,且光速在以太中的傳播服從伽利略速度疊加原理。

假設以太相對於太陽靜止,儀器在實驗坐標系中相對於以太以公轉軌道速度v向右運動。光源發光經分光鏡分光成兩束光,光束1經反光鏡反射再經分光鏡投射到觀測屏。光束2經反光鏡反射再經分光鏡投射到觀測屏,與光束1形成干涉。光在以太中傳播速度為c,地球相對以太的速度為。

光束1到達和從返回的傳播速度為不同的,分別為和,完成往返路程所需時間為:。

光束2完成來迴路程的時間 ,

光束2和光束1到達觀測屏的光程差為

讓實驗儀器整體旋轉90度,則光束1和光束2到達觀測屏的時間互換,使得已經形成的干涉條紋產生移動。

改變的量為。

移動的條紋數為。

實驗中用鈉光源,;

地球的公轉軌道運動速率為:;

干涉儀光臂(分光鏡到反光鏡),

應該移動的條紋為:。

邁克爾遜和莫雷將干涉儀裝在十分平穩的大理石上,並讓大理石漂浮在水銀槽上,可以平穩地轉動。併當整個儀器緩慢轉動時連續讀數,這時該儀器的精確度為0.01% ,即能測到條條紋移動,用該儀器測條紋移動應該是很容易的。邁克爾遜和莫雷設想:如果讓儀器轉動90°,光通過、的時間差應改變,干涉條紋要發生移動,從實驗中測出條紋移動的距離,就可以求出地球相對以太的運動速度,從而證實以太的存在。

但實驗結果是:未發現任何條紋移動。在此之後的許多年,邁克爾遜-莫雷實驗又被重複了許多次,所得都是零結果。

實驗再驗證

1893年,洛奇在倫敦發現,光通過兩塊快速轉動的巨大鋼盤時,速度並不改變,表明鋼盤並不把以太帶着轉。對恆星光行差的觀測也顯示以太並不隨着地球轉動。

在不同地點、不同時間人們多次重複了邁克爾遜-莫雷實驗,並且應用各種手段對實驗結果進行驗證,精度不斷提高。除光學方法外,還有使用其他技術進行的類似實驗。如1958年利用兩個氨微波激射器所做的實驗,該實驗原理與穆斯堡爾效應相同,得到地球相對以太的速度上限是;1970年,利用穆斯堡爾效應所做的實驗得到此速度的上限只有   。綜合各種實驗結果,人們基本可以判定地球不存在相對以太的運動。

實驗解釋

1887年到1905年之間,人們曾經好幾次企圖去解釋邁克爾遜—莫雷實驗。

1)喬治·菲茨傑拉德

根據麥克斯韋電磁理論,1889年喬治·菲茨傑拉德對邁克爾遜-莫雷實驗提出了一種解釋。菲茨傑拉德指出如果物質是由帶電荷的粒子組成,一根相對於以太靜止的量桿的長度,將完全由量桿粒子間取得的靜電平衡決定,而量桿相對於以太在運動時,量桿就會縮短,因為組成量桿的帶電粒子將會產生磁場,從而改變這些粒子之間的間隔平衡。這一來,邁克爾遜-莫雷實驗所使用的儀器,當它指向地球運動的方向時就會縮短,而縮短程度正好抵消光速的減慢。有些人曾經試行測量菲茨傑拉德的縮短值,但都沒有成功。這類實驗表明菲茨傑拉德的縮短,在一個運動體系內是不能被處在這個運動體系內的觀察者測量到的,所以他們無法判斷他們體系內的絕對速度,光學的定律和各種電磁現象是不受絕對速度的影響的。再者,動系中的短縮,乃是所有物體皆短縮,而動系中的人,是無法測量到自己的縮短值的。

2)里茨與德·希特

1908年,里茨設想光速是依賴於光源速度的,即運動光源所發射出來的光線速度與光源速度以矢量方式相加,光速,也就是以太流的影響被以太內的光速和光源的速度所抵消。該觀點一般稱為彈道假說,企圖以此解釋邁克爾遜-莫雷實驗。彈道假說由天文學上觀測雙星運動結果易於排除,德·希特於1931年在萊頓大學指出,如果是這樣的話,那麼一對相互環繞運動的星體將會出現表觀上的異常運動,而這種現象並沒有觀察到。觀測發現,光的速度與光源的速度無關。由此也證明了愛因斯坦提出的光速和不受光源速度和觀察者的影響是正確的,而且既然沒有一種靜止的以太傳播光波振動,牛頓關於光速可以增加的看法就必須拋棄。

3)洛侖茲

1892年,荷蘭物理學家洛侖茲也提出了與喬治·菲茨傑拉德相同的量桿收縮解釋。這一觀點可以解釋邁克爾遜-莫雷實驗,並承認以太存在,光速變化。1895年洛侖茲提出了更為精確的長度收縮公式,順手把時間也調慢了一點,這就是著名的洛侖茲變換。通過以太的運動物體,縱向線度發生收縮(平行運動方向),其收縮的比例恰好符合邁克爾遜—莫雷實驗的計算。同時這個方向的時間也變慢,這樣這個方向的光的速度保持不變。這是光速不變的最早模型。為什麼要改動時間?沒有人知道,也沒有理論依據。這個光速不變的版本,承認以太存在。沒有悖論。根據他的設想,觀察者相對於以太以一定速度運動時,長度在運動方向上發生收縮,以解釋邁克爾遜—莫雷實驗,時間變慢,以滿足光速在量桿運動方向沒有發生變化。這樣洛侖茲就在不拋棄以太概念的前提下,提出光速不變。

4) 愛因斯坦

1905年,在洛侖茲提出光速不變觀點10年後,愛因斯坦認為既然光速不變,作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。於是拋棄靜止參考系以太、以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設建立了狹義相對論。同時保留洛侖茲變換來解釋邁克爾遜–莫雷實驗和光速不變。愛因斯坦的洛侖茲變換是指純數學的空間縮短,不再是組成量桿的帶電粒子距離縮短。而且這種空間縮短不具有任何實質性的物理意義。

做一下類比:比如兩輛速度不同的火箭經過太陽系,那麼從慢速火箭上看地球與太陽的空間距離與快速火箭上的看到的空間距離不同,空間距離的物理意義在於引力大小,和陽光輻射強度緊密相關。而實際地球與太陽引力大小和陽光輻射強度與兩輛火箭的速度沒有任何關係。

相對論認為空間和時間並不相互獨立,而是一個統一的四維時空整體。在狹義相對論中,整個時空仍然是平直的、各向同性的和各點同性的。結合狹義相對性原理和上述時空的性質,也可以推導出洛侖茲變換。幾個星期之後,一位法國最重要的數學家亨利·龐加萊也提出類似的觀點。愛因斯坦的論證比龐加萊的論證更接近物理,因為後者將此考慮為數學問題。通常這個新理論是歸功於愛因斯坦,但龐加萊的確在其中起了重要的作用。

分析計算

光的干涉實際上是同一束光分開再匯合形成的相位差造成的相位矢量和。也就是說光通過或光臂後到達觀測屏的相位不隨設備的轉動而改變,即光通過或光臂的光波個數不變。計算轉動過程中通過光臂中光波個數的變化,才是光程差計算的根本物理意義。

實驗中假設:光源的頻率為,波長為,則。

在光臂中頻率不變,波長變化,波長分別為:

則通過光臂中的光波總數為。

根據麥克斯韋電磁理論,在以太中運動的物體長度會發生縮短,縮短的比率為:,

則光臂中光波總數為。

也就是說根據麥克斯韋電磁理論,該實驗本來就測不出任何結果。

注意:大家認為麥克斯韋電磁理論支持光速不變。這實際上是一個誤解。該理論只是證明光速與真空電容率和真空磁導率存在數學關係,並不能證明真空電容率和真空磁導率在各個方向相同。

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