迈克尔逊－莫雷实验

    十九世纪初，人们认为一切波的传播必须依赖媒质，传播电磁波的传播媒质就是以太，以太是一种比云还稀薄的物质，以致于物体在其间运动几乎没有阻力，人们想到，如果以太的确存在，那么，只有在相对于以太静止的参照系中，光速为c，如果系统相对于以太运动，在系统中测得的光速将不为c。
    按照以太假说，地球在以太的海洋里运动着，只要在地球上做测量光速的实验，就可以推算出地球相对于绝对参照系以太的运动速度。
    不过，由于光速实在太快了，地球运动速度相比之下很小，人们不能直接观察到相应变化，迈克尔逊一莫雷利用光的干涉现象很巧妙地解决了这一问题。如图（1）所示，一束光逆着以太风方向行进距离L后再返回，所须的时间为：

  
    其中v是地球相对于以太的速度。而当一束光垂直于以太风方向行进距离L后再返回，如图（2）所示，所需时间为：

    在图（2）中，对于“以太”参照系来说，实际光束将沿图（2－b）所示的途径以速率c行进，当光束经过时间t2返回时，A 点时已经沿着以太风方向移动了一段距离vt2，移到了A′点，于是根据图（2－b）中的直角三角形可得：
   
  
    可以看出：，迈克尔逊一莫雷正是从这一点设计实验的，图（3）是实验原理图,光源发出的光被半银镀镜分为两束，经过反射后分别回到A，在观察窗上可观察到干涉条纹，当仪器转动或随着地球的转动而改变以太风方向时，应该能观察到干涉条纹的移动。

                                          图（３）
    在1887年的迈克尔逊一莫雷实验中，干涉仪臂长11米，取v=30×10３米／秒（地球饶太阳的轨道速度），光的波长λ＝5.5×10－７米，理论预期有0.4条条纹的移动，但实验结果发现至多0.0１条条纹的移动，考虑到实验误差，实验结果是，根本不存在干涉条纹的移动。
    迈克尔逊一莫雷实验的负结果，在当时的科学界引起了极大的震动，其后，在全世界不同国家的不同地点做了许多精确度更高的实验，都证实了迈克尔逊一莫雷实验的“负结果”。
    迈克尔逊一莫雷实验的负结果，给以太假说以沉重的打击。为了既能解释这一实验，又保留以太参考系的概念，曾经出现过许多理论和假设。有一种“以太拖曳理论”，假设以太会粘附于各种有限质量的物体，于是被物体拖住一起运动。这种拖曳理论既保留了“以太”观念，又说明了迈克尔逊一莫雷的实验。
    1728年布拉特莱（Bradly）发现，为了观察南极或北极上空的星体，必须将望远镜向地球公转方向倾斜一个很小的角度，并且不同的季节倾斜方向不同，这就是光行差现象，如果以太被地球拖曳，地球相对于以太静止，倾斜望远镜是不需要的。所以，光行差现象显示以太并未被拖曳。
    另一引人注意的尝试是爱尔兰物理学家斐兹杰惹（Fitz-gerald）与荷兰物理学家洛仑兹（Lorentz）分别独立提出的收缩假说。他们认为任何物体在相对于以太运动方向，长度要收缩倍，因此，沿着以太风方向的臂长要收缩，而垂直于以太风方向的臂长不变，所以：
   
    ………………………………式mm3.1
    干涉条纹当然不会发生移动。
    至于收缩说对实验的解释也是站不住脚的，因为上式中仍然包含的项，如果使用不等长的臂，仍然应当有干涉条纹的移动。但实验中没有任何期望的结果。
    1905年，年轻的爱因思坦，考察了电磁理论以及电磁波在真空传播的独特性质，提出了相对性假设和光速不变假设，创立了狭义相对论。
    以上是对迈克尔逊一莫雷实验的回顾。

讨论迈一莫实验
    值得指出：式mm3.1并不完整，考虑到具有速度V的运动系统，其实际时间延缓，这已为大量实验所证实，所以：
   
    最终：
    很明显，与地球的运动速度没有关系，无论如何，干涉条纹与相对于以太的运动无关，今天，人们完全可以认识到，迈克尔逊一莫雷实验的负结果是协变性的产物，只要是协变的，即时间、尺度和质量三个量协调变化，您就不能通过实验确定系统的运动速度。今天有许多精度高得多的实验，同样是也负结果。所以，假设真的具有相对于以太的运动，迈克尔逊一莫雷实验也是无法识别的。这可能是狭义相对论屡遭反对的原因之一。

该与迈克尔逊－莫雷实验具有本质差别
    迈克尔逊一莫雷实验的巧妙和精度是应该肯定的，但是，围绕此实验的争论也是无法回避的。
   1. 臂长变化问题；有人提出：迈－莫实验不能证明或否定以太风的存在，因为两臂互相垂直，其中沿着以太风方向的臂长要收缩，而垂直于以太风方向的臂长不变，并且证明：实验与以太风速度无关。见上面的推算。
   2. 单向光速问题；有人提出：迈克尔逊只证明了回路光速不变，并不能说明单程光速不变，由于使用单一的信号源（光源），就必须采用分支（分光）的办法，最终光束也必须汇集于一点，否则就不能形成干涉图像，要使实验有意义，使用回程光程不可避免，可以设想改进一下迈－莫实验，使用单程光，如图（4），显然，这样的实验无意义。由于“异地钟”的对钟问题，即使在今天，单程光速仍然无法测量。

图 (4) 将迈－莫实验改成单程光

   3：单一信号源问题；实际上，单一光源无法识别空间的差异，必须是“两种空间”的信号比较，例如，引力红移现象在重力场中处处存在，为什么不能观察到同一水平面光源的红移呢？当今实验和理论证明，只有光源和观察者存在高度差时才可能观察到红移或紫移，所以，至少需要两个信号源进行比较是必要的条件。我们之所以容易观察到太阳等恒星的引力红移，因为光源和观察者的空间不同。

图(5) 光源和观察者处于不同的空间才能观察到红移

    本网站介绍实验的创新性：针对上述问题，我们采用了全新的原理进行了实验；1.首次使用两个信号源（即时钟）进行对比实验，从而不需要使用回程信号；2.信号源的两臂在一条直线上，如果收缩，两臂的收缩量将相同；3，首次采用了动态实验，区别于迈氏静态实验。仅仅有两个信号源（时钟）还不行，它们所处的空间必须是有差异的，由于时空时率与运动速度有关，不同速度的系统时空不同，所以，让时钟做相对运动也是本实验的特点之一。

http://www.wlsyw.com   占礼葵 2007.6.18

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