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邁克爾遜-莫雷實驗

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邁克爾遜-莫雷實驗,是1881年邁克爾遜和莫雷在德國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。但結果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的,由此確定了光速不變原理,從而動搖了經典物理學基礎,成為近代物理學的一個發端,在物理學發展史上佔有十分重要的地位。

邁克爾遜-莫雷實驗

1實驗背景

19 世紀流行著一種「以太」學說, 它是隨著光的波動理論發展起來的。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(當我們對光源運動時)應該大於在與運動垂直方向測量的光速(當我們不對光源運動時)。

2實驗過程

1887年,阿爾貝特·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·莫雷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,實驗坐標系相對於以太以公轉軌道速度u沿光線2的方向傳播, 由於光在不同的方向相對地球的速度不同,達到眼睛的光程差不同,產生干涉條紋。從鏡子M反射,光線1的傳播方向在MA方向上,光的絕對傳播速度為c,地球相對以太的速度為υ,光線1完成來迴路程的時間為2d/C,光線2在到達M2和從M2返回的傳播速度為不同的,分別為C+υ和C-υ,完成往返路程所需時間為:d/(C+u)+d/(C-u).光線2和光線1到達眼睛的光程差為:c[d/(C+u)+d/(C-u)-2d/C]=2du^2/(C^2-u^2)。
干涉儀整體可以旋轉,旋轉的過程中,以太速度方向與實驗參考系中光線2的夾角改變,從而使得速度分量u改變,旋轉90°時,光線1和2交換了狀態,光程差可以增加一倍。:ΔL=4du^2/(C^2-u^2)≈4du^2/C^2。移動的條紋數為ΔL/λ。
實驗中用鈉光源,λ=5.9×10^-7m;
地球的公轉軌道運動速率為:υ≈10^-4C;干涉儀靜止參考系下的光程2d=11m,
應該移動的條紋為:ΔN=2×11×(10^-4)/λ=0.37。
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1/100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度,光通過OM1、OM2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。

3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著轉。對恆星光行差的觀測也顯示以太並不隨著地球轉動。
人們在不同地點、不同時間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年利用微波激射所做的實驗得到地球相對以太的速度上限是3×10-2km/s,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5×10-5km/s。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。

4解釋

在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(GeorgeFitzGerald)在1892年對邁克爾遜-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,而縮短的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,是無法測量到自己短縮值的。
2.里茨在1908年設想光速是依賴於光源的速度的,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。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,那末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。
3.1904年,荷蘭物理學家洛侖茲提出了著名的洛侖茲變換,用於解釋邁克爾遜-莫雷實驗的結果。通過以太的運動物體,縱向線度發生收縮(平行運動方向),其收縮的比例恰好使以太流的影響被抵消。收縮長度與原來長度之間的關係具有形式。這一假說稱為收縮假說,由洛倫茲和斐茲傑惹所提出。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,抵消了不同方向上由於以太所造成的光速差異,這樣洛侖茲就在不拋棄以太概念的前提下解釋了邁克爾遜-莫雷實驗的結果。
4.1905年,愛因斯坦在拋棄以太、以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設的基礎上建立了狹義相對論。狹義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。
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