对迈克尔逊-莫雷实验零结果的重新认识
梅晓春 袁灿伦
福州原创物理研究所纯粹数学与理论物理部，中国
福州原创物理研究所基础部，中国
内容摘要 众所周知，为了解释迈克尔逊-莫雷实验（M-M实验）的零结果，洛伦兹提出洛伦兹坐标变换公式，并导致爱因斯坦狭义相对论的诞生。本文作者仔细考察了M-M实验，发现存在两个严重。第一个涉及光源的固定位置。M-M实验计算的前提是，光源固定在宇宙绝对静止参考系上。然而在实际的实验中，光源是固定在地球运动参考系上，随干涉仪一起运动和转动的。第二个问题是参考系的混乱。M-M实验的计算是从宇宙绝对静止参考系（或以太静止参考系）的角度，来计算地球运动参考系中光的速度和传播距离，而不是从地球参考系的角度来做计算。本文证明按照正确的计算方法，采用伽利略相对性原理和速度相加规则，就能很好地解释M-M实验的零结果。因此洛伦兹坐标变换是没有必要的，狭义相对论最重要的实验基础是不存在的，爱因斯坦狭义相对性原理和光速不变原理也都是。在本文的最后部分，作者还简单地讨论的狭义相对论的实验检验问题。指出这些实验要么是错误的，要么是另有解释，狭义相对论的解释不是唯一的。本文还讨论了质速公式和质能关系，指出这两个关系早在爱因斯坦发表狭义相对论之间就已经被提出，它们实际上与狭义相对论无关。物理学应当彻底放弃洛伦兹变换公式和爱因斯坦狭义相对论，引入宇宙绝对静止参考系，在质速公式的基础上建立绝对性的动力学理论，彻底解决天体物理学和宇宙学中存在的基本问题。
关键词：迈克尔逊-莫雷实验，牛顿力学，狭义相对论，相对性原理，光速不变原理，宇宙绝对静止参考系，地球运动参考系，以太论，质速关系，质能关系
一 前 言
迈克尔逊-莫雷实验（M-M实验）的目的，是试图测量地球在宇宙绝对静止参考系（或所谓的以太参考系）中的运动速度。然而实验的结果是，无法观察到干涉条纹的移动，表明地球的绝对运动速度是无法测量的。
这就是物理学史上著名两朵乌云中的第一朵，第二朵乌云则是光黑体辐射的紫外线灾难问题。为了解决这两个问题，物理学家提出狭义相对论和量子力学，导致现代物理学的诞生。
为了解释M-M实验的零结果，荷兰物理学家洛伦兹1895年提出洛伦兹变换公式。按照洛伦兹本人对这个公式的理解，迈克尔逊干涉仪的臂长在地球的运动速度方向发生了收缩，导致光速不变，就不会产生干涉图形的改变。
爱因斯坦在1905年提出狭义相对性原理和光速不变原理，推导出洛伦兹变换公式，并对这个公式做相对性解释，由此建立狭义相对论。狭义相对论认为，参考性的惯性运动是相对的，绝对运动
本文发表于加拿大Applied Physics Research; Vol. 15, No. 1; 2023，https://doi:10.5539/apr.v15n1p76
是不存在的，时间和空间都是相对的，真空中光的速度是不变的，由此导致人类的时空观念发生了根本性的改变。
本文指出，现有物理学对M-M实验的计算存在个，导致对该实验的错误理解。按照正确的计算，M-M实验的零结果是自然的，因此M-M实验是一个无效的实验。
第一个涉及光源固定位置。在M-M实验中，迈克尔逊假设光源固定在宇宙绝对静止参考系（以下简称宇宙参考系）上，这与实际的实验过程完全不符。在实际的实验中，光源总是固定在地球运动参考系（以下简称地球参考系）上，随干涉仪一起运动和转动的。因此，M-M实验的计算结果是无效。
第二个问题是参考系的误用。计算中用宇宙参考系的观察数据，来计算地球参考系的观察结果。事实上按照伽利略相对性原理，如果把地球实验室看成一个封闭仓内，封闭舱内的观察者是无法根据仓内的实验，来判断封闭仓有没有在运动的。因此是M-M实验在原理上是无法探测到地球的绝对运动速度的，得到零结果是一点都不奇怪的。
根据伽利略速度相加规则，按照正确方法进行计算，证明不论在地球参考系还是在宇宙参考系上进行观察，M-M实验都不会产生干涉条纹的移动因此洛伦兹变换时没有必要的。
本文讨论了由此导致的后果。由于采用伽利略相对性原理和速度变换公式就能解释M-M实验的，狭义相对性原理和光速不变原理都是没有必要的。在本文的最后，作者简单地讨论的狭义相对论的实验检验问题。指出这些实验要么是错误的，要么是另有解释，狭义相对论的解释不是唯一的。
在后续的文章中，作者还将进一步证明，狭义相对论对质速公式的推导都是错误的从洛伦兹速度变换不可能推导出质速公式因而也无法推导出质能关系。事实上质速公式早在爱因斯坦发表狭义相对论之间就已经被提出，它应当被看成是经验公式，不可能从理论上推导。狭义相对论
因此物理学应当彻底放弃洛伦兹变换公式和爱因斯坦狭义相对论，引入宇宙绝对静止参考系，在质速公式的基础上建立绝对性的动力学理论，来完成物理学新一轮变革，彻底解决天体物理学和宇宙学中存在的基本问题。
二 M-M实验及其计算存在的问题
2.1 M-M 实验的设计和计算
仔细考察发现，M-M实验的前提是，假设光源静止在宇宙绝对静止参考系上（或以太静止参考系）。在宇宙参考系上观察，光的速度是。地球参考系以速度向沿轴向右边运动。在地球运动参考系上观察，光的速度是。
图1. 宇宙绝对静止参考系和地球运动参考系上的光速
根据一般的教科书，如郭硕鸿和曹参琪的《电动力学》中，迈克尔逊和莫雷实验对光速的计算用以下关系式表示【1，2】，（请读者注意按照图1，下式中的外角实际上应当改为内角对最终的结果不产生影响。）：
（1）
式中是地球参考系的光速与地球相对运动速度之间的夹角，如图1所示。从（1）式解出：
（2）
迈克尔逊干涉仪则固定在地球参考系上，干涉仪的两臂长度同为，实验光路见图2。初始时刻光从分光镜中心发出，并在时刻到达反射镜。此时反射镜到达点，分光镜中心到达点。然后光线被反射，并在时刻回到分光镜的中点，此时分光镜中心到达点，反射镜到达点。
图2 迈克尔逊--莫雷干涉实验示意图 图 3 迈克尔逊--莫雷干涉实验计算图
假设光线1的传播方向与速度平行，光从到达位置时，有关系，得到【2】：
（3）
按照伽利略速度相加规则，相当于光线1从到的速度是，相当与在（2）式中取。光线从位置时返回到从分光镜中心时，有关系，得到。
（4）
从到的速度是，相对于在（2）式中取。光线1在和往返的时间是：
（5）
对于光线2沿轴方向传播，目前有两种计算方法。
按照第一种计算方法，由于干涉仪向右边移动，光线2沿着图3中到的斜线方向运动，光速仍然是，就有关系【2】：
（6）
因此（6）式是按照宇宙参考系的观点写出来的，其中的是相对于宇宙参考系的光速，而不是地球参考系上测量到的光速。从（6）式可以解出：
（7）
因此光线2在之间往返花费的时间为：
（8）
按照第二种计算方法，光沿纵臂方向传播时，在（2）式中取，得到【1】：
（9）
由于光沿纵臂方向传播时，实际经过的距离就是臂长，往返的时间为：
（10）
结果与（8）式一样，因此这两种计算方法是等价的。考虑到，按照（5）和（10）式，光线1和2从出发再返回到点的时间差为：
（11）
在实验过程中，将干涉仪旋转后，光沿两臂传播产生的时间差为，总的时间差是。，是因为实验实际上无法保证干涉仪的两臂是等长的，因此无法保证两束光回到出发点时不会产生干涉。将干涉仪转后，干涉仪两臂不等长导致的误差会被消除。）设光的波长为，周期为，原则上可以观察到的干涉条纹移动数目是：
（12）
假设地球的绕日运动速度为千米/秒，取光的波长米，米，按照（12）式计算，可得，这是一个可以通过肉眼就能观察到的数量。如果地球在宇宙参考系中存在运动速度，就应当能够观察到干涉条纹的移动。
为了防止振动引起的误判，迈克尔逊干涉仪被固定在大理石板上，大理石被放置在水银表面上。然而迈克尔逊等人通过多年的实验发现，不论在什么时间是么季节，不论地球处于绕日轨道的什么位置，都观察不到条纹的移动。
2.2 M-M 实验计算存在的问题
I) 使用了错误的光的速度相加规则
最关键的问题是，M-M实验的计算假设光源静止在宇宙参考系上，宇宙参考系的光速和地球参考系的光速满足（2）式。但这与实际情况完全不符，在实际的实验中，光源是与干涉仪一起，静止在地球参考系上的。物理学家根本不可能把光源固定在宇宙绝对静止参考系上，这是不可想象的事。因此M-M实验不存在（2）式的速度相加规则，（11）式的计算结果是不对的。
II) 参考系的混乱的问题
M-M实验的计算存在参考系的混乱问题。由于实验者随地球参考系运动，按照运动相对性的观点，地球参考系上的观察者认为自己不动，宇宙参考系沿方向运动。因此对地球参考系上的实验者来说，关系是不存在的。公式（3）和（4）是相对宇宙参考系写出来的，不是地球参考系做实验的观察者测量结果，这个问题留在第三章进一步讨论。
按照（8）式，光线2沿斜线传播，经过的距离是，光的速度是，这显然是宇宙参考系上观察者的观察结果。然而按照（10）式，光沿纵臂传播，走的不是斜线，经过的距离是，光的速度是，这显然是地球参考系上的观察者的观点。这二种计算方法存在参考系混乱的问题，虽然计算结果一样。
三 用伽利略相对性原理和速度相加规则解释M-M实验的零结果
3.1 伽利略相对性原理
伽利略1638年在他的《两种新科学的对话》中提出运动相对性原理。该原理认为，在惯性系内部所作的任何力学实验，都不可能发现该惯性系是静止的还是作匀速直线运动。早在1632年，伽利略对一条匀速运动的船上的封闭船舱内的现象进行观察后，得到以下结论：
只要船的运动是匀速的，你在一切现象中观察不出丝毫的改变。你也不能够根据任何现象来判断船究竟是在运动还是在静止着，你向船尾跳时并不比你向船头跳得更远些。从挂在天花板下滴下的水滴，将垂直地落在地板上。没有任何一滴水滴是落向船尾方面，虽然当水滴尚在空中时，船在向前走。苍蝇将继续自己的飞行，在各方面都是一样，丝毫不发生苍蝇集聚在船尾方面的情形。
如果船不是做匀速运动，而是以非常慢的速度改变速度和方向，在加速度非常小的情况下，伽利略观察到的运动相对性现象仍然存在，至少可以认为是超出实际测量范围的。
按照伽利略相对性原理，如果将封闭船舱内人和水滴的运动换成光的运动，就会导致以下结论。如图4所示，假设地面参考系静止，封闭仓以速度相对地面参考系沿右边做匀速运动。封闭仓中心有一个固定的光源，向仓内各个方向发出光。
图. 在匀速运动封闭舱内观察到的光的运动
在封闭仓内的观察者看来，光在各个方向上的速度都是一样的。因此光源发出的光同时到达舱内的一个球面上。假设球面上布满反射镜，反射光的速度也是，反射回来的光线仍然汇聚在点。尽管封闭仓相对地面存在运动速度，封闭仓内的观察者不会发现光速在各个方向有任何改变。
如果封闭舱以极小的角速度，缓慢地向任意方向转动任意角。转动过程停止后，对于舱内的观察者，光线沿任意方向的速度仍然不变。当然，在封闭舱的转动过程中，由于存在加速度，光的速度可能会发生改变。这种改变可能非常小，以至于超出可测量的范围。但这种改变不是封闭舱的速度引起的，而是加速度引起的。它的存在意味着在封闭舱内加速度可以被察觉，而不是运动速度可以被察觉。
3.2 用伽利略相对性原理和速度相加规则解释M-M实验
I) 在地球运动参考系上的观察
根据图4的结果，我们马上就明白，为什么在地球参考系上进行M-M实验不可能观察到地球的绝对运动，M-M的零结果是一点也不奇怪的。
由于迈克尔逊干涉仪静止在地球实验室中,光源也固定在封闭仓内，相当于在一个做匀速运动的封闭舱内做M-M干涉实验。按照伽利略相对性原理，在这个舱内观察，光线沿任意方向传播的速度都是一样的。当整个包含干涉仪的封闭舱以缓慢的角速度转过后，光在各个方向传播速度仍然不变，在干涉仪的目镜上就不可能观察到干涉条纹的移动。
II) 在宇宙参考系上的观察和计算
因此，我们需要讨论的是，从宇宙绝对静止参考系的角度，实验的结果会怎样。虽然在宇宙参考系上，不可能观察到地球实验室的实验中是否产生干涉条纹的移动，但由于干涉条纹的移动是一个绝对事件，不存在相对性，从逻辑上判断，在任何参考系上观察的结果都应当一样。
在宇宙绝对静止参考系上的观察，光源固定在地球参考系上，以速度沿轴方向。假设在的初始时刻，光线1从分光镜所在的点出发，沿干涉仪的轴方向，并在时刻到达镜子。在这段时间内，干涉仪沿轴方向右边移动了的距离，光线1在这段时间内的运动距离是：
（13）
由于光源固定在以速度运动的地球参考系上，光线1相对于地球参考系的速度是，相对于宇宙绝对静止参考系的速度是，按照伽利略速度相加规则，则有。于是就有：
（14）
从上式得到：
（15）
光线1碰到反射镜被反射后，经过时间后回到分光镜的点。在这段时间内，干涉仪沿轴向右边又移动了的距离，光线1在这段时间内的运动距离是：
（16）
相对于宇宙参考系，光的速度变成，就有：
（17）
同样得到：
（18）
因此光线1在往返过程中花费的时间是：
（19）
（19）式的结果与（5）式不一样。原因在于计算（5）式时，是把光源固定在宇宙参考系上，与实际实验不一致。
按照M-M实验的计算，光线2沿着干涉仪的纵向臂传播。在初始的时刻，光线2从分光镜所在的点出发，并在时刻到达镜子的位置。在宇宙静止参考系的观察者看来，光线2沿着图3中的斜线方向传播。斜线的长度为，存在关系：
（20）
按照速度的平行四边形相加规则，光线2沿着斜线方向的传播速度存在关系：
（21）
从（20）和（21）式得到：
（22）
从（22）式解出：
（23）
光线2在位置被反射镜反射，同样经过的时间后，回到分光镜的位置。因此在宇宙绝对静止参考系上的观察者看来，光线2沿着的斜线经历的时间为：
（24）
当沿横向和纵向两臂传播的两条光线回到分光镜的初始出发点时，时间差为零：
（25）
因此就没有干涉条纹（如果干涉仪的两臂的长度完全相等）。干涉仪转动90度后，也不会有干涉条纹的移动。因此不论在地球运动参考系还是在宇宙绝对静止参考系中，在M-M实验中都不可能观察到干涉条纹的移动。
四 由此导致的后果
4.1 不需洛伦兹坐标变换
洛伦兹坐标变换公式是为了解释实验的零结果而提出来的。事实上，如果迈克尔逊在当初的计算中把光源固定在地球运动参考系上，就不会出现实验的零结果无法解释的问题，也就不会有后来的洛伦兹变换公式和爱因斯坦狭义相对论。
洛伦兹认为，物体的长度沿运动方向收缩,可以使得在地球运动参考系上观察不到干涉条纹的移动。爱因斯坦根据洛伦兹变换公式，得到运动导致时间延缓的长度收缩的概念。
由于运动速度被认为只具有相对的意义，因此长度收缩和被时间延缓也被认为是相对的。爱因斯坦由此提出时空相对性概念，导致人类时空观念的巨大改变。然而，时空收缩的相对性会引出数不清的逻辑悖论，导致爱因斯坦狭义相对论长期受到诟病。
由于实验的零结果可以用伽利略速度变换来解释，洛伦兹坐标变换公式就没有必要存在。这意味着狭义相对论最重要的实验基础不存在，爱因斯坦的狭义相对论只是一场历史的误会，所谓的狭义相对性原理和光速不变原理也都不复存在。
事实上，梅晓春2014年出版了一本书，题目是《第三时空理论和平直时空中的引力和宇宙学》【3】，证明经典电磁场运动方程实际上没有洛伦兹变换不变性。爱因斯坦为了证明麦克斯韦电磁场运动方程具有洛伦兹变换不变性，在他的1905年的论文中引入一个针对电磁场本身的，所谓的电磁场相对论变换。然而这个电磁场相对论变换与洛伦兹变换完全不一样，存在严重的矛盾，因此爱因斯坦的证明是错误的。
梅晓春在2014年还发表文章证明，在量子力学和量子场论的运动方程，跃迁几率的计算公式，以及高阶微扰的重整化过程中，洛伦兹变换的不变性一般是不成立的【4】。由于微观物理学过程不存在相对性，爱因斯坦的狭义相对性原理就变得毫无意义。
4.2 狭义相对论实验问题的简单讨论
事实上，在爱因斯坦提出狭义相对论不久，法国物理学家萨格纳克在1913年完成了著名萨格纳克实验，证明光速不变原理不成立。这个实验至今爱因斯坦相对论无法解释【5】，以至于狭义相对论教科书一般都不提这个实验。有些物理学家认为，萨格纳克可以用广义相对论来解释。然而这种解释仍然要用到伽利略坐标变换，实际上是漏洞百出，根本不可能成立的【6】。
关于狭义相对论的长度收缩问题，物理学实验至今都没有发现运动物体长度收缩现象的存在。关于运动参考系时间延缓问题，物理家认为在高速运动的介子寿命比它静止时的寿命长，证明了狭义相对论效应的存在【7】。然而，这实际上是一个误解。事实上，物理学至今从来没有测量过在真空中静止的介子的寿命。实际测量的是高速运动的介子注入高密度固体物质，介子与其他物质的原子核剧烈碰撞，导致介子提前衰变。就如用中子轰击铀原子核，导致铀原子核裂变一样。因此实际上不存在高速运动的介子寿命比它静止时的寿命长的问题。
关于这些问题，我们也将在后续的文章中详细讨论。
4.3 质速公式和质能关系
狭义相对论的动力学部分涉及力的作用，由于力的作用是绝对的，狭义相对论的动力学部分不存在矛盾。动力学部分的主要内容是质速公式和质能关系，二者得到实验的检验。然而早在爱因斯坦提出狭义相对论之前的1881~1900年，汤姆逊，维恩，斐兹杰惹，赫维赛德，亚伯拉罕，考夫曼等人发现并提出质速关系，列别捷夫等人也早在爱因斯坦之前提出质能关系【8】。
在本文的后续文章中，作者将进一步证明，从洛伦兹速度变换不可能推导出质速公式和有质量的粒子的质能关系。狭义相对论从洛伦兹速度变换式推导质速公式的所有计算都是错误的事实上质速公式应当被看成是经验公式，与狭义相对论无关。
4.4 绝对静止参考系存在
无论按照伽利略相对性原理，还是按照爱因斯坦相对性原理，运动速度都被认为是相对的，因此不存在绝对静止的参考系。然而现代宇宙学的观察得到的结果是，绝对静止参考系是存在的，狭义相对性原理与当代宇宙学的观察是互相矛盾的。
上世纪六十年代发现宇宙微波背景辐射【9】(A. A. Penzias, R. W. Wilson. A str op hy sica l J our nal, 1965, 142, 419)，之后又观察到背景辐射偏离黑体辐射谱【10】(George F. Smoot, )。由于宇宙微波背景辐射是在地球参考系上进行测量的，根据对黑体辐射谱的偏离值，物理学家计算出，太阳和地球所在的参考系正在以大约千米/秒的速度在天球坐标系赤经、赤纬方向上运动。这个速度可以看成太阳参考系相对于绝对静止参考系的绝对运动速度【11】。
因此绝对静止参考系的存在符合现代宇宙论的要求，与现有天文观察的结果相一致。由于狭义相对论是没有必要的，而且也是不可能的，物理学完全可以放弃哥白尼时代以来的宇宙无中心论，回到宇宙中心事实存在的观念。
4.5 在绝对静止参考系上重建牛顿力学运动方程
因此，放弃洛伦兹坐标变换和爱因斯坦狭义相对论，不等于否定质速公式和质能关系。我们可以在在宇宙绝对静止参考系的基础上，将牛顿运动第二定律写为【3】：
（2）
式中是物体的静止质量，是物体相对宇宙参考系的绝对运动速度。考虑关系，将上式两边乘上后对右边做分部积分，就可以得到质能公式，或者说质能公式不是独立的。
采用伽利略速度变换公式，将光速和物体运动速度变换到相对宇宙参考系以速度运动的参考系，就可以得到其他参考系上的运动方程。对于地球运动参考系，由于，可以近似地用（25）式来代表地球参考系的运动方程。具体讨论详见梅晓春书《第三时空理论与平直时空中的引力和宇宙学》【3】。
五 结论
迈克尔逊-莫雷实验是近代物理学最重要的实验之一，它试图测量地球在以太绝对静止参考系中的运动，但没有成功。由于实验的零结果无法用牛顿经典物理学解释，促使洛伦兹提出影响整个现代物理学的洛伦兹变换公式。之后，爱因斯坦提出光速不变原理和相对性原理，推导出洛伦兹变换公式，导致狭义相对论的诞生，从根本上改变了人类的时空观念。
本文指出，迈克尔逊早年对M-M实验的计算有错，导致实验无效。迈克尔逊将实验的光源固定在以太静止参考系，然而在实际的实验中光源是固定在干涉仪上，与地球一起运动的。按照正确的计算，考虑伽利略速度相加公式，就可以解释M-M实验的零结果。事实上如果当初迈克尔逊的计算没有错误，洛伦兹就不会提出洛伦兹变换公式，也就不会有后来的爱因斯坦狭义相对论。
本文最后简单地讨论的狭义相对论的实验检验问题。指出这些实验要么是错误的，要么是另有解释，狭义相对论的解释不是唯一的。本文还讨论了质速公式和质能关系，指出这两个关系早在爱因斯坦发表狭义相对论之间就已经被提出。质速公式实际上可以看成是一个经验公式，从质速公式可以自然地导出质能公式，它们实际上都与狭义相对论无关。关于这些问题，作者在后续的文章中将做详细的讨论。
爱因斯坦狭义相对论中存在大量的逻辑悖论问题，一百多年来这些问题一直无法得到真正合理的解释。对于一个物理的基本理论，逻辑自洽性是最起码的要求。狭义相对论体系中存在如此多的矛盾，是一个真正合理的基础科学理论不能接受的。因此物理学应当彻底放弃洛伦兹变换公式和爱因斯坦狭义相对论，与现代宇宙学的观察一致，引入宇宙绝对静止参考系，在质速公式的基础上建立绝对性的动力学理论，彻底解决天体物理学和宇宙学中存在的基本问题。
本文作者阅读过南平高工苏炳麟先生2007年8月发表在《发明与创新》上，题为一文后【12】，对这个问题产生兴趣并进行研究，得到本文的结果。苏炳麟认为光的反射定律的不变性会导致M-M实验的零结果，尽管我们不同意他的看法，但感谢他的文章的对本文的启发作用。
参考文献
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