麦克尔逊莫雷实验以太与麦克尔逊干涉仪.doc

麦克尔逊莫雷实验以太与麦克尔逊干涉仪1224408064 081班 孟令琴【摘要】本文简要介绍了麦克尔逊莫雷实验的内容，及实验的重要结论证明了以太是不存在的，同时介绍了在此实验中专门设计制造的麦克尔逊干涉仪的基本原理及用途。【关键词】麦克尔逊莫雷实验 麦克尔逊干涉仪 以太一、麦克尔逊莫雷实验背景 古希腊亚里士多德认为，人们用纯粹思维可以找出制约宇宙的定律，不必要用观测去检验。他将地上的物质与天上的物质人为划开，认为天上是由与地上污浊的物质不同的纯洁的物质即“以太”组成。若干年后，经典力学打破了天上与人间的不同，并且否定静止是存在的唯一标准。但又出现了新的问题，为了给惯性原理一个确切的定义，牛顿提出了绝对空间的概念，并设想绝对空间在恒星所在的遥远地方,或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设,宇宙的中心是不动的,这就是他所想象的绝对空间.亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说，他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。这就是大部份人当作常识的观点。1725年英国天文学家布喇德雷通过观察三角视差法来测量恒星的距离，发现了恒星的光行差，并进而球出光速为：c=3.04106m/s而后麦克斯韦理论求出电磁波速度： 算出在真空中的速度为3106m/s与已知的光速一致，因此认定光是一种电磁波。麦克斯韦理论预言，无线电波或光波应以某一固定的速度运动。但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止实物的观念，所以如果假定光是以固定的速度传播，人们必须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。这样人们提出，甚至在“真空”中也存在着一种无所不在的物体，这时古老的“以太”一词被用来表述这一神秘物体。正如声波在空气中一样，光波应该通过这以太传播，所以光速应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者，应看到光以不同的速度冲他们而来，但是光对以太的速度是不变的。二、迈克尔逊干涉仪1883为研究“以太”漂移年美国物理学家阿尔贝特麦克尔逊和爱德华莫雷合作，设计并制造了麦克尔逊干涉仪。它利用分振幅法产生双光束以实现干涉。基本光路如下图所示：通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。两束相干光间光程差的任何变化都会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化又由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起的，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。而干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差的改变量就是一个波长（10-7米），所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是任何其他测量方法都无法比拟的。因而在物理学尤其是光学的发展中起到了重要的作用，随着技术的不断进步其应用也更加广泛起来。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。同时利用该仪器的原理，还研制出多种专用干涉仪。当然迈克耳孙干涉仪的最著名应用仍是它在迈克耳孙-莫雷实验中对以太风观测中所得到的零结果，这朵十九世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克耳孙干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。激光干涉引力波天文台（LIGO）等诸多地面激光干涉引力波探测器的基本原理就是通过迈克耳孙干涉仪来测量由引力波引起的激光的光程变化，而在计划中的激光干涉空间天线（LISA）中，应用迈克耳孙干涉仪原理的基本构想也已经被提出。迈克耳孙干涉仪还被应用于寻找太阳系外行星的探测中，虽然在这种探测中马赫-曾特干涉仪的应用更加广泛。迈克耳孙干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器（Optical DPSK）的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。 三、迈克尔逊莫雷实验人们虽然提出世界上存在这样一种物质叫做“以太”，看不见摸不着但却是光的传播介质，然而却一直无法证明它的确存在。阿尔贝特麦克尔逊和爱德华莫雷认为，如果存在“以太”，那么当地球穿过“以太”绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速(当我们对光源运动时)应该大于在与运动垂直方向测量的光速(当我们不对光源运动时)。也就是说光在不同的方向相对地球的速度不同，光程差也就不同，那么相应的就会产生干涉条纹。为此，在1887年，他们二人于克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。目的就是测量地球在以太中的速度。使用的仪器就是前文提到的著名的麦克尔逊干涉仪。如图所示：入射光经过半反半透镜M后，光线1的传播方向在MT方向上，光的绝对传播速度为c，地球相对以太的速度为v，光MM2的传播速率为，光线1完成来回路程的时间为：光线2在到达M2和从M2返回的传播速度为不同的，分别为c+v和cv，完成往返路程所需时间为：光线2和光线1到达眼睛的光程差为：在实验中把干涉仪转动90，光程差可以增加一倍。移动的条纹数为：实验中用钠光源，l=5.910-7；地球的轨道运动速率为：v10-4c；干涉仪光臂长度为11m，应该移动的条纹为：DN=211(10-4)2/=0.4以干涉仪的灵敏度，可观察到的条纹数为0.01条。但实验结果却是几乎没有条纹移动。这对“以太”存在构成了巨大的威胁，成为十九世纪末经典物理学上空的一朵乌云。在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊-莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克罗洛兹，他是依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员