|
【背景介绍】
迈克耳孙－莫雷实验是为了观测“以太”是否存在而作的一个实验，是在1887年由阿尔伯特·迈克耳孙与爱德华·莫雷合作，在美国的克利夫兰进行的。
寻找以太
从牛顿时代起直到十九世纪初，在光学领域内一直是牛顿微粒说占统治地位。经典力学表明：实体粒子可以在真空中自由地运动，但机械波不能进入真空。因此，如果把光理解为粒子流，那就无必要考虑真空中是否存在以太的问题。
1801年，托马斯·杨从实验中观察到了光的干涉效应，从而证明了光是一种波。
1818年，菲涅耳提出了光波的衍射理论，并设想光波是依靠“光以太”来传播的。光以太假说很快就被人们接受。天文方面的光行差现象使人们相信：宇宙空间里充满着绝对静止的光以太。
1856～1864年间，麦克斯韦完成了电磁场理论，电磁场的应力张量使他相信：真空中有可能存在“电磁以太”。1865年，他用电磁场理论预言了电磁波的存在，并断言：光波是电磁波中的一种。
1879年3月14日，麦克斯韦给美国航海历书局写了一封信，希望历书局利用木星的卫星蚀来确定地球在以太中的绝对运动。为什么不在地球上测量而要改用天文方法呢？信的末尾解释说：“地面上一切测量光速的方法，都是使光沿同样的路径返回，因此测不出地球相对于以太的速度。但是，只有地球速度与光速之比的平方，才会影响往返的时间。但这是一个极小的量，无法观测出来。”此后不久，麦克斯韦就与世长辞。
历书局局长把麦克斯韦的信拿给刚到局里工作的迈克尔孙看了，年仅二十七岁血气方刚的迈克尔孙偏要设法测一测“无法观测出来”的“地球速度与光速之比的平方”，于是设计了如下图所示的干涉仪：
┬Ｍ
│
│
│Ｌ
│
↑ Ｌ
Ｓ────→／→─────┤Ｍ'
Ｏ│
│
│
Ｖ
该装置是用半反射半透射膜Ｏ将一束光分为彼此垂直的两束，又利用反射镜Ｍ和Ｍ'让它们返回。两臂有相同的几何长度Ｌ。 如果以太不跟随地球运动，那么就会有“以太风”，使两束光之间有波程差，因而应当能观察到干涉条纹的移动。
1881年4月，迈克尔孙在欧洲波茨坦天文观测站的地下室里进行了第一次实验，结果使他非常失望，观测到的总是零结果。同年8月，他以《地球与光以太的相对运动》为题公布了实验结果，并引起轰动。但开尔文、瑞利等位大师都表示不相信该实验结果，因为理论预言的干涉条纹的移动数△Ｎ仅为0.04，基本上还是在“亮条纹”区域内。迈克尔孙自己也认为这是一个失败的实验，以至使他不再愿意提起这个丢脸的实验。
尽管开尔文等人不相信实验结果，但他们都相信地球上应当有“以太风”存在，并认为迈克尔孙实验在原理方面未错。
1884年秋，开尔文和瑞利访问美国的时候鼓励迈克尔孙继续试下去，认为有希望找到“以太风”。这样，死灰就复燃了。这一次，数理根底扎实的化学家莫雷参与了试验，根据莫雷的提议改进了仪器，使精度提高了一个数量级。经过这种改进，△Ｎ的理论值已高达0.4，接近与第一条暗条纹(△Ｎ＝0.5)的中心位置，理应是绝对有把握能观察到的，因而他们对这一次试验是满怀信心的。但是，得到的还是零结果，以至使他们取消了在不同季节进行试验的计划。1887年11月，他们联名以《关于地球与光以太的相对运动》为题公布了实验结果。
迈克尔孙－莫雷实验的意义在于：它是在以太假说已被公众接受、并且绝对静止的以太参考系已得到光行差现象支持的背景下发生的，它一旦与光行差现象联系起来就能推翻以太假说；一旦推翻了以太假说，那就不仅能使相对性原理成立，而且能在相对性原理的支持下直接由该实验给出光速不变原理。
但是，该实验的零结果使迈克尔孙本人非常沮丧，他觉得自己在这个课题上是白白浪费了多年时间，直到临死还认为空间里有以太存在着。惟一能使他在精神上得到一点补偿的是，他为了寻找以太而发明的干涉仪具有前所未有的精度，因该干涉仪能用于“进行光谱学的基本量度”而使他获得了1907年度的诺贝尔物理学奖。至于“以太漂移”实验本身，则是他后半辈子不愿谈的话题。 |
