物理学大厦曾有的乌云(1).doc

物理学大厦曾有的乌云麦克尔逊莫雷试验杨振国，袁敏，廖远东，杨钦柯，陈俊晖，陈晶摘要：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阿尔贝特爱因斯坦，在1905年发表的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念就是多余的。几个星期之后，一位法国最重要的数学家亨利彭加勒也提出类似的观点。爱因斯坦的论证比彭加勒的论证更接近物理，因为后者将此考虑为数学问题。通常这个新理论是归功于爱因斯坦，但彭加勒的确在其中起了重要的作用。关键词：麦克尔逊莫雷干涉仪，以太一、经典物理学天空的乌云19世纪末期物理学家汤姆逊在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵乌云，麦克尔逊莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。 早在电动力学麦克斯韦方程建立之日，人们就发现它没有涉及参照系问题。人们利用经典力学的时空理论讨论电动学方程，发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其导出的方程（如亥姆霍兹，达朗贝尔等方程）在不同惯性系下形式不同，这一现象应当怎样解释？经过几十年的探索，在1905年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。而我们要讨论的就是麦克尔逊莫雷试验。在麦氏预言电磁波之后，多数科学家就认为电磁波传播需要媒质（介质）。这种介质称为“以太”（经典以太）。“以太”应具有以下基本属性： （1）充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）； （2）具有高弹性。能在平横位置作振动，特别是电磁波一般为横波，以太应是一种固体（ G是切变模量 是介质密度）； （3）以太只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。 在以太中静止的物体为绝对静止，相对以太运动的物体为绝对运动。引入“以太”后人们认为麦氏方程只对与“以太”固连的绝对参照系成立，那么可以通过实验来确定一个惯性系相对以太的绝对速度。一般认为地球不是绝对参照系。可以假定以太与太阳固连，这样应当在地球上做实验来确定地球本身相对以太的绝对速度，即地球相对太阳的速度。为此，人们设计了许多精确的实验（包括爱因斯坦也曾设计过这方面的实验），其中最著名、最有意义的实验是迈克尔逊莫雷实验（1887年）。现在我们就要说迈克尔逊莫雷实验，但在说迈克尔逊莫雷实验之前我们就不得不说一下迈克尔逊干涉仪。迈克耳孙干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种，其发明者是美国物理学家阿尔伯特亚伯拉罕迈克耳孙。迈克耳孙干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。迈克耳孙和爱德华威廉姆斯莫雷使用这种干涉仪于1887年进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验，并证实了以太的不存在。在一台标准的迈克耳孙干涉仪中从光源到光检测器之间存在有两条光路：一束光被光学分束器（例如一面半透半反镜）反射后入射到上方的平面镜后反射回分束器，之后透射过分束器被光检测器接收；另一束光透射过分束器后入射到右侧的平面镜，之后反射回分束器后再次被反射到光检测器上。注意到两束光在干涉过程中穿过分束器的次数是不同的，从右侧平面镜反射的那束光只穿过一次分束器，而从上方平面镜反射的那束光要经过三次，这会导致两者光程差的变化。对于单色光的干涉而言这无所谓，因为这种差异可以通过调节干涉臂长度来补偿；但对于复色光而言由于在介质中不同色光存在色散，这往往需要在右侧平面镜的路径上加一块和分束器同样材料和厚度的补偿板，从而能够消除由这个因素导致的光程差。 在干涉过程中，如果两束光的光程差是光波长的整数倍（0，1，2），在光检测器上得到的是相长的干涉信号；如果光程差是半波长的奇数倍（0.5，1.5，2.5），在光检测器上得到的是相消的干涉信号。当两面平面镜严格垂直时为等倾干涉，其干涉光可以在屏幕上接收为圆环形的等倾条纹；而当两面平面镜不严格垂直时是等厚干涉，可以得到以等厚交线为中心对称的直等厚条纹。在光波的干涉中能量被重新分布，相消干涉位置的光能量被转移到相长干涉的位置，而总能量总保持守恒。 19世纪末人们通过使用气体放电管、滤色镜、狭缝或针孔成功得到了迈克耳孙干涉仪的干涉条纹，而在一个版本的迈克耳孙-莫雷实验中采用的光源是星光。星光不具有时间相干性，但由于其从同一个点光源发出而具有足够好的空间相干性，从而可以作为迈克耳孙干涉仪的有效光源。迈克耳孙干涉仪的最著名应用即是它在迈克耳孙-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。迈克尔逊干涉仪工作原理：干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出相干光的光程差位置分布的函数。若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度L发生变化，或是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化。二、迈克尔逊莫雷干涉实验1、实验目的：寻找电动力学规律成立的绝对参考系，即与以太静止的参照系。 2、实验原理：一种用迈克尔逊干涉仪测量两垂直力一向上光速差值的实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的。由此确定了光速不变原理，与狭义相对论基本原理吻合，但大家要知道爱因斯坦提出狭义相对论并没有参考这个实验。 既然存在以太，则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）。 1887年，阿尔贝特麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。 由于光在不同的方向相对地球的速度不同，达到眼睛的光程差不同，产生干涉条纹。从镜子M反射，光线1的传播方向在MA方向上，光的绝对传播速度为，地球相对以太的速度为，光MM2的传播速率为c+u，光线1完成来回路程的时间为d/2u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+和C，完成往返路程所需时间为：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，=5.9107； 地球的轨道运动速率为：104C；干涉仪光臂长度为11m，应该移动的条纹为：11(104)20.4 干涉仪的灵敏度，可观察到的条纹数为0.01条。但实验结果是几乎没有条纹移动。3、实验假设： （1）假定电磁场方程在绝对惯性系中严格成立（地球上认为近似成立）。（2）在“以太”中光速各项同性，且恒等于C，而在其它参照系中，光速非各项同性（由伽利略变换可知（3）假定太阳与以太固连，地球相对于以太的速度就应当是地球绕太阳的运动速度。 4、实验装置M为半反半透膜，M为补偿板。设地球相对“以太”的相对速度为v（在地球上认为太阳、以太相对地球速度也为v）。光在MM1M和MM2M中传播速度不同，时间不变，存在光程差，因此在P中有干涉条纹存在。当整个装置旋转90以后，由于假定地球上光速各向异性，光程差会发生变化，干涉条纹也要发生变化，通过观察干涉条纹的变化可以反推出地球相对以太的速度 。 理论计算（按照经典理论）已知在地球上光沿x轴正向速度为C+v ，在 系中光速为C，且各向同性，光沿x轴反向速度为Cv5、实验结果干涉条纹移动上限为0.01个，这样反推出地球相对以太速度大约为： 。以后又做了许多实验，结果相同。可以认为条纹没有移动，即地球相对以太静止（后来的许多次类似实验，精度越来越高，1972年激光实验为 ）。这一