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9、迈克尔逊-莫雷实验 这个标题大家一定不陌生，迈克尔逊-莫雷实验是物理史上的大事件，当然是关于光的实验。所以这个实验尽管大多数人清楚的知道，但一定还有一部分人不清楚。 【阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊】 那我带你们回到那个年代，了解曾经在光学史上留下精彩一页的迈克尔逊-莫雷实验是什么样子。 迈克尔逊－莫雷实验是1887年迈克尔逊和莫雷在美国做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个发端，因此在物理学发展史上占有十分重要的地位。 【爱德华莫雷】 19 世纪流行着一种“以太”学说, 它是随着光的波动理论发展起来的。那时由于对光的本质知之甚少, 人们套用机械波的概念, 想像必然有一种能够传播光波的弹性物质, 它的名字叫“以太”。 许多物理学家们相信“以太”的存在, 把这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系, 用实验去验证“以太”的存在就成为许多科学家追求的目标。 当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。 如果存在以太，则当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。而迈克尔逊－莫雷实验就是要验证以太是否存在的实验。但当实验结果出来后，我们得到的，远远不止当初想要得到的答案。 实验的过程是这样的： 如果以太存在，且光速在以太中的传播服从伽利略速度叠加原理： 假设以太相对于太阳静止，仪器在实验坐标系中相对于以太以公转轨道速度V向右运动。 光源发光【如上图】经分光镜分光成两束光，光束1经反光镜M1反射再经分光镜投射到观测屏。 光束2经反光镜M2反射再经分光镜投射到观测屏，与光束1形成干涉。光在以太中传播速度为c ，地球相对以太的速度为v。 光束1到达M1和从M1返回的传播速度为不同的，分别为c+v 和c-v ，完成往返路程所需时间为： 。光束2完成来回路程的时间为 ，光束2和光束1到达观测屏的光程差为 。 然后让实验仪器整体旋转90度，则光束1和光束2到达观测屏的时间互换，使得已经形成的干涉条纹产生移动。改变的量为 。移动的条纹数为 。 地球的公转轨道运动速率为： ；干涉仪光臂（分光镜到反光镜）d=11m ，应该移动的条纹为： 。 迈克尔逊和莫雷将干涉仪装在十分平稳的大理石上，并让大理石漂浮在水银槽上，可以平稳地转动。并当整个仪器缓慢转动时连续读数,这时该仪器的精确度为0.01% ,即能测到1/100条条纹移动，用该仪器测条纹移动应该是很容易的。 迈克尔逊和莫雷设想：如果让仪器转动90°，光通过OM1、OM2的时间差应改变，干涉条纹要发生移动，从实验中测出条纹移动的距离，就可以求出地球相对以太的运动速度，从而证实以太的存在。 但实验结果是:未发现任何条纹移动。在此之后的许多年,迈克尔逊-莫雷实验又被重复了许多次实验，所得都是零结果。 下图是众多科学家反复做这个实验的数据。这不是简简单单的数据，我们可以从中看到他们的汗水，他们的严谨，这是我们要学习的。 当我们在酒吧，迪厅纵情玩乐的时候，他们在实验室一遍遍的做着别人做过的实验。有些看似无聊的事情，一定要有人做，坚持做，人类才能兴旺。 但迈克尔逊—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．C．Miller，1866～1941）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世纪的前10年。甚至延续到狭义相对论出现以后。 但大家要知道，爱氏本人也还是受迈克尔孙-莫雷实验启发的，尤其对于光速不变的假设。 1893年洛奇在伦敦发现，光通过两块快速转动的巨大钢盘时，速度并不改变，表明钢盘并不把以太带着转。对恒星光行差的观测也显示以太并不随着地球转动。 人们在不同地点、不同时间多次重复了迈克尔逊－莫雷实验，并且应用各种手段对实验结果进行验证，精度不断提高。 在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释迈克尔逊——莫雷实验，这个过程，也是探索的过程，对爱氏建立狭义相对论起了很大的作用。 起初对于该实验的解释是乔治·菲茨杰拉德根据麦克斯韦电磁理论在1889年对迈克尔逊－莫雷实验提出了一种解释。菲茨杰拉德指出如果物质是由带电荷的粒子组成，一根相对于以太静止的量杆的长度，将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定，而量杆相对于以太在运动时，量杆就会缩短，因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变这些粒子之间的间隔平衡。 这一来，迈克尔逊－莫雷实验所使用的仪器，当它指向地球运动的方向时就会缩短，而缩短的程度正好抵消光速的减慢。有些人曾经试行测量菲茨杰拉德的缩短值，但都没有成功。这类实验表明菲茨杰拉德的缩短，在一个运动体系内是不能被处在这个运动体系内的观察者测量到的，所以他们无法判断他们体系内的绝对速度，光学的定律和各种电磁现象是不受绝对速度的影响的。再者，动系中的短缩，乃是所有物体皆短缩，而动系中的人，是无法测量到自己短缩值的。 到1892年，荷兰物理学家洛仑兹也提出了与乔治·菲茨杰拉德相同的量杆收缩解释。这一观点可以解释迈克尔逊－莫雷实验，并承认以太存在，光速变化。1895年洛仑兹提出了更为精确的长度收缩公式，顺手把时间也调慢了一点，这就是著名的洛仑兹变换。 通过以太的运动物体，纵向线度发生收缩（平行运动方向），其收缩的比例恰好符合迈克尔逊——莫雷实验的计算。同时这个方向的时间也变慢，这样这个方向的光的速度保持不变。这是光速不变的最早模型。 为什么要改动时间？没有人知道，也没有理论依据。这个光速不变的版本，承认以太存在。没有悖论。根据他的设想，观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩，以解释迈克尔逊-莫雷实验，时间变慢，以满足光速在量杆运动方向没有发生变化。这样洛仑兹就在不抛弃以太概念的前提下，提出光速不变。 1905年，在洛仑兹提出光速不变观点10年后，爱因斯坦认为既然光速不变，作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。同时保留洛仑兹变换来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛仑兹变换是指纯数学的空间缩短，不再是组成量杆的带电粒子距离缩短。而且这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。 相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。结合狭义相对性原理和上述时空的性质,也可以推导出洛仑兹变换。 几个星期之后，一位法国最重要的数学家亨利·庞加莱也提出类似的观点。爱因斯坦的论证比庞加莱的论证更接近物理，因为后者将此考虑为数学问题。通常这个新理论是归功于爱因斯坦，但庞加莱的确在其中起了重要的作用。 显然迈克尔逊-莫雷实验的巧妙仪器和巧妙测量方法是绝对可信的。而且又经过如此多年的反复实验，都得到一致的结果。那么我问大家一个问题，迈克尔逊-莫雷实验还有值得讨论的疑点吗？ “迈克尔逊-莫雷实验”对以下三点现代物理知识产生了直接影响。 1、以太，以太风不存在。 2、光的传播不需要介质 3、光速不变。 尤其是后两个认识对后来物理学理论【主要是相对论】产生了巨大的影响。但迈克尔逊-莫雷实验的本来目的是验证以太存不存在。我上面就说了，实验验证得到的答案，比我们想的多。 严格来讲，迈克尔逊-莫雷实验结果并不能得出光传播不需要介质。所以它到今天还有讨论的必要。 迈克尔逊-莫雷实验是一个“以证明以太的存在为目的”而设计严谨和精度极高的物理实验。 这个实验设计的前提假设是： 1、“以太”无处不在，充满整个宇宙空间。 2、以太是光传播的介质。 3、以太是绝对静止参考系 在这三个前提下，迈克尔逊-莫雷实验的原理就是“通过测量不同方向上的光速变化来证明地球与以太之间存在相对运动（即证明有“以太风”存在）”。 换句话说，因为以太是光传播的介质，因此，如果地球与以太之间存在相对运动（以太风）的话，那么在地球运动不同方向上的光速就会不同，这样就可以通过测量出不同方向上光速之间的相对不同来证明以太的存在。 然而实验结果证明，不论地球运动的方向与光路的方向是否一致，两条不同方向上的光线之间的相对速度都是相等的。这个结果说明，在宇宙空间中并不存在设想中的那个能够与地球产生相对运动的“以太”。 虽然迈克尔逊-莫雷实验的结果虽然证明了以太是不存在的，但并不等于它也证明了宇宙空间是什么都不存在的绝对真空。随着当代物理研究的不断深入，越来越多的实验发现，宇宙空间不可能是真空的。 也就是关于“真空不空”的探究现在是热点。真正既然不空，宇宙空间中一定充满着什么东西，不是以太，也一定会有其他的什么东西存在。否则，很多自然现象和量子理论问题就无法得到解释。 真空技术是当今广泛应用的一项高端技术。例如电视机显象管中的真空度达到几十亿分之一个大气压, 以保证图象清晰；在高能粒子加速器上, 为防止加速的基本粒子与管道中的空气分子相碰撞而损失能量, 需要管道保持几亿亿分之一个大气压的超高真空。在这样高的真空度下, 一立方厘米的空间内大约有上千个空气分子。科学家们把完全没有任何实物粒子存在的真空称为为“物理真空”。那么“物理真空”中真的一无所有吗? 真空非但不空, 而且非常复杂, 它是一个填满负能电子的海洋。本世纪二十年代，英国物理学家狄拉克建立了一个正确描述极高速运动电子的狄拉克方程, 把狭义相对论和量子力学有机地结合起来了，并预言负能量的电子的存在。 我们日常见到的物体带的都是正能量，如高山流水、星移斗换等等, 总之我们所看到的世界是一个正能量的世界。可是, 在这个正能量世界的背后，是一个绝对看不见的负能世界。虽然在我们生活的空间中充满密密麻麻的负能电子, 可是, 我们一点感觉不到它的存在。 本指没有任何实物粒子存在的空间，但什么都没有的空间是不存在的。而假设你把一个空间的气体都赶跑，会发现还是不时有基本粒子在真空中出现又消失，无中生有。 物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子，当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。 真空不空，那么光就是在物质世界里穿梭，需不需要靠介质传播，就依然是个谜团。假若真空真的是绝对空的，那么真空中的光行进，肯定就不需要介质。目前认为真空是不空的。 但目前的所有光传播的实验结果，都显示了光传播不需要介质。这是我们要清楚的事实。 真空一般具有如下性质： 1.空非无。如果真空中没有粒子，我们就会准确的测出场(0)与场的变化曲率(0)，然而海森堡不确定性原理表明，我们不可能同时精确地测出一对共轭量，所以，可以“空”，不能“无”。因此，在真空中，粒子不停地以虚粒子、虚反粒子对的形式凭空产生，而又互相湮灭，在这个过程中，总的能量保持不变。 2.真空存在极性。因此说真空是不对称的。但这种不对称是相对局部的，在相对整体上又是对称的，如此的循环嵌套构成了真空的这个性质。
我在另一本物理宇宙科普书《变化》中，就这个问题也进行过讨论。还举过两个粒子。 1、一个瑞典物理学家小组成功地实现了真正意义上的“无中生有”——首次从真空中创造出闪光。 该小组让一个特殊组件在磁场中以1/20倍光速移动，并通过改变磁场的方向导致该组件出现“震动”。这样做的结果是从真空中产生了一束粒子流——这完全符合理论预计。这一不寻常的发现被认为是物理学的一项重大进展，并引起了全世界物理学界的关注。 这一现象基于一个诡异的理论：量子力学。这一理论提出：真空并不存在，所谓的真空中其实充斥着粒子，只是这些粒子太微小，并且不断的产生和消失，因此难以探测。 2、卡西米尔效应。即在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子的数目比正常数目小造成的。 因此，针对迈-莫实验结果的讨论实际上并没有终结。今天我们仍然有必要对为什么迈克尔逊-莫雷实验得到的是零结果这个问题做出进一步探讨。 摘自独立学者，诗人，作家，国学起名师灵遁者量子力学书籍《见微知著》 |
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