光速測量的MM實驗

<<近代物理>>(倪光炯)：摘錄四\邁克爾遜和莫雷實驗<<近代物理>>(倪)P26:1876~1887年間，邁克爾遜和莫雷兩人做了精密度高得多的實驗，才得出明確的否定的結(jié)論，地面上根本找不到以太風。這一被稱為是關于以太風存在與否的判決性實驗，是物理學史上少有的幾個重要實驗之一。實驗是用邁克爾遜發(fā)明的干涉儀做的。裝置如圖1.8所示，單色光從光源發(fā)出，經(jīng)半鍍銀玻片P分成兩束。一束透過P向右，被反射反射折回P，再被P反射后進入望遠鏡E；一束被P反射向上，被反射后折回，再透過P后也進入E。分別為干涉儀的兩個彼此垂直的“臂”的長度。整個裝置浮在一個水銀槽上，可以在水平面內(nèi)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。整個實驗分兩步做完：（1）先使干涉儀的臂（）沿著地球軌道運動方向，如果地球（因而儀器也一樣）相對于以太的速度為，而光對以太的速度為，則在以太參考系中，設光從P到達所需的時間為，由于在時間內(nèi)，反射鏡已向右移動了路程，故光線實際跑的路程：故同理，當光從返回P時，P也向右移動了一段距離，設這段時間為，則故。光從P經(jīng)反射再回到P共需時間：（1.8）為了計算出第二束光線所需的時間，我們?nèi)匀辉谝蕴珔⒖枷抵腥ビ^察。由于當光一離開P射向的過程中，的過程中，亦以速度運動，如圖1.9所示，所以光必須走一斜經(jīng)，在上反射折回時也一樣。設光從P到再加到P所需時間為，則又由直角基三角形關系，得故(1.9)由此可見，從S發(fā)出的同一條光線在P上分成兩束后，分別經(jīng)反射，再加到P所需的時間并不相同，其時間差（1.10）兩束光走的時間既然不同，便造成了光程差。實驗上有意使或略為傾斜一些，結(jié)果在望遠鏡中所形成的干涉條紋是一族穩(wěn)定的明暗相同的平行直線。（2）使整個儀器在水銀面上繞垂直水銀面的軸轉(zhuǎn)動900，這樣與交換位置，前者變得與地球軌道運動方向一致，而后者則垂直了。于是（1.8）和(1.9)式分別改為：（1.11）(1.12）而時間差也變?yōu)?1.13)它不等于(1.10)式,其差值(1.14)今是地球軌道運動速度,公里/秒《c（30萬公里/秒），《1，因此可作下列近似：故=(1.15)這表示從第一步實驗到第二步實驗，光程差產(chǎn)生如下的改變值：(1.16)這意味著，在整個干涉儀在轉(zhuǎn)動的過程中，望遠鏡中的干涉條紋將發(fā)生相應于（1.16）式的移動。下面估計一下條紋移動有多大。設所用的單色光的波長為，則光程差的變化所引起的干涉條紋的移動數(shù)目為（1.17）在1887年邁克爾遜-莫雷實驗中，米，用鈉黃光，米，公里/秒，代入（1.17）式，得。（1.18）這一估計表明：如果以太確實存在，而且不被地球表面的空氣所帶動，那末在他們實驗中，預期將看到干涉條紋移動，這差不多意味著原來表明條紋的地方變暗而暗條紋的地方變明（時應明暗完全交換的情形）。這種變化如果存在，應該是實驗上有把握觀察到的。然而實驗結(jié)果是否定的，即是說，在儀器轉(zhuǎn)動過程中，看不出條紋有什么變化。<<近代物理>>(倪)P32:這個實驗的“零”結(jié)果使大家意識到，只有理論上大膽背離經(jīng)典物理學的傳統(tǒng)觀念，才有希望作出成功的解釋。1889年斐茲杰拉，1892年洛侖茲先后提出了有名的洛侖茲-斐茲杰拉收縮假設，他們承認作為傳播的媒質(zhì)——以太是存在的，即承認存在一個優(yōu)越的慣性系，在以太中靜止的一個長為的物體當它相對于以太以速度運動時，將縮短到。這樣，在邁克爾遜-莫雷實驗中，沿著地球運動方向的干涉儀的臂都將發(fā)生收縮，于是（1.8）式和（1.12）式都將乘上一個收縮因子，從而（1.14）式變?yōu)?，于是在干涉儀旋轉(zhuǎn)的過程中，當然不會有任何干涉條紋的移動了。洛侖茲（荷蘭人）是十九世紀末葉的一位杰出的理論物理學家，他把麥克斯韋電磁理論和物質(zhì)（電荷）粒子理論結(jié)合起來，建立起經(jīng)典的“電子論”，取得了極大的成功。剛才說他引進了長度收縮的概念，不僅如此，他還引進了運動參考系中的“局部時間”（）概念，甚至導出了從以太絕對參考系的空時坐標（）變換到運動參考系的空時坐標（）的變換關系（參看下一講）。但是洛侖茲堅持以太參考系的優(yōu)越地位，一切相對于以太運動的物體縱向縮短是絕對的，一個圓球形的電子運動時變?yōu)楸鈾E球；而且時間也是絕對的，與參考系無關，上述“局部時間”（）只是為了方便而引進的輔助數(shù)學量，并不是真正的時間。《近代物理》（王）P16：邁克耳孫-莫雷實驗是19世紀最出色的實驗之一。它的原理很簡單，但卻導致了一場后果深遠的科學革命。因此在他們以后的一個多世紀中，被重復做過多次，用不同波長的光、用星光、用現(xiàn)代激光器發(fā)出的高度單色光，在高山上、在地面下、在不同的大陸，在不同的季節(jié)?？梢哉f，在一定精確度內(nèi)，光速c的變化為o，測不到以太風。確切地說，光速在逆行和順行時相等。《近代物理》（王）P16：邁克爾孫-莫雷實驗以及其它許多探尋以太的實驗都是否定的結(jié)果，這意味著自然界并不存在以太。筆者的觀點：1、MM實驗設計是正確的。2、MM實驗的結(jié)果是正確的。3、MM實驗確認光速的一致性也是正確的。4、但由此否定以太的存在是錯誤的。5、洛侖茲-斐茲杰拉收縮假設思路是正確的，但筆者認為不是長度收縮而是長度延伸。洛侖茲承認作為傳播的媒質(zhì)——以太是存在的，即承認存在一個優(yōu)越的慣性系，在以太中靜止的一個長為的物體當它相對于以太以速度運動時，將縮短到。這樣，在邁克爾遜-莫雷實驗中，沿著地球運動方向的干涉儀的臂都將發(fā)生收縮，于是（1.8）式和（1.12）式都將乘上一個收縮因子，從而（1.14）式變?yōu)?，于是在干涉儀旋轉(zhuǎn)的過程中，當然不會有任何干涉條紋的移動了。6、筆者認為：A、如果洛侖茲變換因子不是在公式的分子，而是在公式的分母，上述結(jié)論照樣存在，（網(wǎng)友可自行驗算）即不會有任何干涉條紋的移動了，以太不會被否定了。B、事實上大部分使用洛侖茲變換因子的物理公式，洛侖茲變換因子都是在分母的。C、這是長度的延伸而不是收縮，與筆者的波粒統(tǒng)一模型是吻合的。波粒統(tǒng)一模型認為當正或反粒子速度增大時，波形由環(huán)狀拉伸為彈簧狀。（趨向于光子的波形）長度延伸思路可以較好地從共振波形角度，解釋光子、靜止的正（或反）粒子、運動的正（或反）粒子之間的變換。D、那么人們目