什么是迈克尔逊-莫雷实验——相对论的起点 25

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第四季第25篇

---本文预计阅读6min---

在说明迈克尔逊-莫雷实验之前我们需要先思考一个下中学时代的关于波的相关知识作为背景。

01 水波/声波

波是介质之间机械干涉的结果，而正是通过这种介质，波才得以运动，这种介质就是水。当然，在没有基础介质（也就是没有水）的情况下，就不可能有水波的运动。

请注意，在波往外传递的过程中，水本身没有往外传播。水是波的传递介质，波传递仅仅是信息和能量，而不是物质——介质本身不需要动。

声波与此相似。声波也是介质之间机械干涉的结果，也是通过介质才可以传播。空气是典型的介质，尽管声波也可以通过其他多种介质进行传播。同样地，基础介质对声波的传播也是必需的，没有基础介质，也就没有波。

总的来说，为了与整体牛顿科学体系保持一致，任何波的运动都被认为是需要某种基础介质的机械干涉。由于我们有很好的理由来认为光是波，所以在牛顿科学体系内，光传播应该需要依赖于某种基础介质。

下面这段话摘自德夏内尔的《自然哲学》，对光的传播进行了精准总结。在19世纪80年代末这本书是物理学的标准教科书。

和声音一样，光被认为是来源于振动；但是，和声音一样，它也不需要空气或其他有形物质的存在来使其振动，从源头传播到周边。……似乎需要假设存在一种远比普通物质更为稀薄的介质……【这种介质】可以用远远超过声速的速度来传播振动。……这种假设存在的介质被称为“以太”。（德夏内尔，1885，p.947）

“以太”（ether）这个名字源于过去的“以太”概念，也就是在亚里士多德世界观里被认为可以在月上区找到的元素以太。然而，除了名字，亚里士多德世界观里的以太和被当作光传播所需基础介质的以太并没有什么相似点。

而迈克尔逊-莫雷实验的目的是找出更多直接证据来证明以太的存在！

02 迈克尔逊-莫雷实验

【原理】

实验的核心设想是，从一个点发射出两道光，夹角为90度，随后（通过镜子反射）使两道光从两个方向反射回来。

如果光通过以太这样的介质来传播，那么由于地球很有可能像船在水面上划过那样在介质以太中运动，预计将看到两道光反射回来时有微小的时间差。

【案例】

船和游泳者的类比

先探讨一个类似的实验例子

假设让两个人从运动着的船上出发去游泳。思考一下上图所示的关于船和游泳者的类比。假设三条船都以同样的速度在水中运动，比方说是1英里/小时，船B1与船B3之间的距离和船B2与船B3之间的距离相等。

假设两个游泳者以相同的速度在水中游泳，比方说是3英里/小时。其中一人（图中的S1）的任务是游到位于图示上方的船B1，然后回到他最初出发的船上（也就是船B3）。

由于船在水中运动，因此这个人需要以一定的角度游向船B1，然后同样以一定的角度游回船B3。另一个人（图中的S2）的任务是追上位于他出发的船B3前面的船B2，然后回到船B3。

相对于最初的船B3，两个人往返的距离相等。但是，请注意，相对于两个人所游过的介质（也就是水），两人游过的距离就不相等了。具体来说，相对于水，S1游过的距离比S2稍微短一些。由于相对于他们运动所在的介质，两个人游过的距离不同，因此他们将在不同时间点回到最初的船上，如下图所示。

在不同时间点返回的人

迈克尔逊-莫雷实验的核心想法完全可以与这个船和游泳者的例子进行类比。

在实验中，迈克尔逊和莫雷从一个定点发射出两道光，这个定点就相当于类比中两个人出发的船B3。两道光发出时夹角为直角，而这两道光就相当于类比中的两个人S1和S2。

两道光分别通过与光源距离相等的两面镜子反射回来，这两面镜子就相当于船B1和船B2。

如果牛顿科学体系内关于光传播的机械论观点是正确的，也就是光通过介质以太来传播，那么光源和镜子应该在以太中运动。

这是因为光源和镜子本身在地球上，而地球在围绕太阳运转的时候就将在以太中运动。那么，以太就相当于船与游泳者类比中的水。

尽管相对于光源，两道光传播的距离相等，但是由于光源和镜子同时在以太中运动，那么对于以太，两道光传播的距离将是不相等的（造成这种情况的确切原因，与两个人相对于其所在介质游过的距离不同是一样的）。

因此，我们预计可以看到两道光回到光源处时有微小的时间差。

然而，与大家所预期的相反，两道光总是在相同时间点回到光源处。这个结果非常出人意料，在这种情况下，应该反复进行这个实验，不断验证。事实也正是如此。但是每次实验结果都相同，也就是两道光总是同时回到光源处。

如果牛顿科学体系内关于光传播的机械论描述是正确的，那么光应该在不同的时间点回到光源处。然而，事实并非如此，所以一定是哪里有问题。而这个问题最后被爱因斯坦的相对论所解决，后期再谈（第二季物理学有谈到，感兴趣的朋友可以阅读以前的文章）。

好，今天就到这里，下节谈谈第二朵乌云——黑体辐射和其它问题。

Masir 2022/3/6

祝好运~

参考文献 

理查德.德威特 《世界观》

图片来源于网络

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