物理學史上的邁克爾遜-莫雷實驗，影響至今！

9、邁克爾遜-莫雷實驗

這個標題大家一定不陌生，邁克爾遜-莫雷實驗是物理史上的大事件，當然是關於光的實驗。所以這個實驗儘管大多數人清楚的知道，但一定還有一部分人不清楚。

【阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜】

那我帶你們回到那個年代，了解曾經在光學史上留下精彩一頁的邁克爾遜-莫雷實驗是什麼樣子。

邁克爾遜－莫雷實驗是1887年邁克爾遜和莫雷在美國做的用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光的光速差值的一項著名的物理實驗。但結果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此否認了以太（絕對靜止參考系）的存在，從而動搖了經典物理學基礎，成為近代物理學的一個發端，因此在物理學發展史上佔有十分重要的地位。

【愛德華莫雷】

19 世紀流行著一種「以太」學說, 它是隨著光的波動理論發展起來的。那時由於對光的本質知之甚少, 人們套用機械波的概念, 想像必然有一種能夠傳播光波的彈性物質, 它的名字叫「以太」。

許多物理學家們相信「以太」的存在, 把這種無處不在的「以太」看作絕對慣性系, 用實驗去驗證「以太」的存在就成為許多科學家追求的目標。

當時認為光的傳播介質是「以太」。由此產生了一個新的問題：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的「以太風」迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生，引起人們去探討「以太風」存在與否。

如果存在以太，則當地球穿過以太繞太陽公轉時，在地球通過以太運動的方向測量的光速（當我們對光源運動時）應該大於在與運動垂直方向測量的光速（當我們不對光源運動時）。而邁克爾遜－莫雷實驗就是要驗證以太是否存在的實驗。但當實驗結果出來後，我們得到的，遠遠不止當初想要得到的答案。

實驗的過程是這樣的：

如果以太存在，且光速在以太中的傳播服從伽利略速度疊加原理：

假設以太相對於太陽靜止，儀器在實驗坐標系中相對於以太以公轉軌道速度V向右運動。

光源發光【如上圖】經分光鏡分光成兩束光，光束1經反光鏡M1反射再經分光鏡投射到觀測屏。

光束2經反光鏡M2反射再經分光鏡投射到觀測屏，與光束1形成干涉。光在以太中傳播速度為c ，地球相對以太的速度為v。

光束1到達M1和從M1返回的傳播速度為不同的，分別為c+v 和c-v ，完成往返路程所需時間為：

。光束2完成來迴路程的時間為

，光束2和光束1到達觀測屏的光程差為

。

然後讓實驗儀器整體旋轉90度，則光束1和光束2到達觀測屏的時間互換，使得已經形成的干涉條紋產生移動。改變的量為

。移動的條紋數為

。

地球的公轉軌道運動速率為：

；干涉儀光臂（分光鏡到反光鏡）d=11m ，應該移動的條紋為：

。

邁克爾遜和莫雷將干涉儀裝在十分平穩的大理石上，並讓大理石漂浮在水銀槽上，可以平穩地轉動。併當整個儀器緩慢轉動時連續讀數,這時該儀器的精確度為0.01% ,即能測到1/100條條紋移動，用該儀器測條紋移動應該是很容易的。

邁克爾遜和莫雷設想：如果讓儀器轉動90°，光通過OM1、OM2的時間差應改變，干涉條紋要發生移動，從實驗中測出條紋移動的距離，就可以求出地球相對以太的運動速度，從而證實以太的存在。

但實驗結果是:未發現任何條紋移動。在此之後的許多年,邁克爾遜-莫雷實驗又被重複了許多次實驗，所得都是零結果。

下圖是眾多科學家反覆做這個實驗的數據。這不是簡簡單單的數據，我們可以從中看到他們的汗水，他們的嚴謹，這是我們要學習的。

當我們在酒吧，迪廳縱情玩樂的時候，他們在實驗室一遍遍的做著別人做過的實驗。有些看似無聊的事情，一定要有人做，堅持做，人類才能興旺。

但邁克爾遜—莫雷1887年的實驗並不是判決性的，洛侖茲對實驗的否定結果依然疑慮重重；瑞利在1892年發表的一篇論文中認為「地球表面的以太是絕對的靜止還是相對的靜止」，依然是一個懸而未決的問題，他覺得邁克爾遜—莫雷實驗的否定結果是「一件真正令人掃興的事情」。

開爾文甚至在進入20世紀之後還不甘心實驗的否定結果。1900年，在巴黎國際物理學會議上，開爾文敦促莫雷和米勒（D．C．Miller，1866～1941）重做一次實驗，以便得到一個比1887年實驗更為肯定的結果。邁克爾遜—莫雷實驗並未否定以太的存在，但這個實驗卻促使物理學家對以太與有質物質的關係問題發生了濃厚的興趣，導致他們進行了一場曠日持久的智力競賽。對以太問題的理論探討和實驗研究的熱潮一直持續到20世紀的前10年。甚至延續到狹義相對論出現以後。

但大家要知道，愛氏本人也還是受邁克爾孫-莫雷實驗啟發的，尤其對於光速不變的假設。

1893年洛奇在倫敦發現，光通過兩塊快速轉動的巨大鋼盤時，速度並不改變，表明鋼盤並不把以太帶著轉。對恆星光行差的觀測也顯示以太並不隨著地球轉動。

人們在不同地點、不同時間多次重複了邁克爾遜－莫雷實驗，並且應用各種手段對實驗結果進行驗證，精度不斷提高。

在1887年到1905年之間，人們曾經好幾次企圖去解釋邁克爾遜——莫雷實驗，這個過程，也是探索的過程，對愛氏建立狹義相對論起了很大的作用。

起初對於該實驗的解釋是喬治·菲茨傑拉德根據麥克斯韋電磁理論在1889年對邁克爾遜－莫雷實驗提出了一種解釋。菲茨傑拉德指出如果物質是由帶電荷的粒子組成，一根相對於以太靜止的量桿的長度，將完全由量桿粒子間取得的靜電平衡決定，而量桿相對於以太在運動時，量桿就會縮短，因為組成量桿的帶電粒子將會產生磁場，從而改變這些粒子之間的間隔平衡。

這一來，邁克爾遜－莫雷實驗所使用的儀器，當它指向地球運動的方向時就會縮短，而縮短的程度正好抵消光速的減慢。有些人曾經試行測量菲茨傑拉德的縮短值，但都沒有成功。這類實驗表明菲茨傑拉德的縮短，在一個運動體系內是不能被處在這個運動體系內的觀察者測量到的，所以他們無法判斷他們體系內的絕對速度，光學的定律和各種電磁現象是不受絕對速度的影響的。再者，動系中的短縮，乃是所有物體皆短縮，而動系中的人，是無法測量到自己短縮值的。

到1892年，荷蘭物理學家洛侖茲也提出了與喬治·菲茨傑拉德相同的量桿收縮解釋。這一觀點可以解釋邁克爾遜－莫雷實驗，並承認以太存在，光速變化。1895年洛侖茲提出了更為精確的長度收縮公式，順手把時間也調慢了一點，這就是著名的洛侖茲變換。

通過以太的運動物體，縱向線度發生收縮（平行運動方向），其收縮的比例恰好符合邁克爾遜——莫雷實驗的計算。同時這個方向的時間也變慢，這樣這個方向的光的速度保持不變。這是光速不變的最早模型。

為什麼要改動時間？沒有人知道，也沒有理論依據。這個光速不變的版本，承認以太存在。沒有悖論。根據他的設想，觀察者相對於以太以一定速度運動時，長度在運動方向上發生收縮，以解釋邁克爾遜-莫雷實驗，時間變慢，以滿足光速在量桿運動方向沒有發生變化。這樣洛侖茲就在不拋棄以太概念的前提下，提出光速不變。

1905年，在洛侖茲提出光速不變觀點10年後，愛因斯坦認為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。於是拋棄靜止參考系以太、以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設的基礎上建立了狹義相對論。同時保留洛侖茲變換來解釋邁克爾遜-莫雷實驗和光速不變。愛因斯坦的洛侖茲變換是指純數學的空間縮短，不再是組成量桿的帶電粒子距離縮短。而且這種空間縮短不具有任何實質性的物理意義。

相對論認為空間和時間並不相互獨立，而是一個統一的四維時空整體。在狹義相對論中，整個時空仍然是平直的、各向同性的和各點同性的。結合狹義相對性原理和上述時空的性質,也可以推導出洛侖茲變換。

幾個星期之後，一位法國最重要的數學家亨利·龐加萊也提出類似的觀點。愛因斯坦的論證比龐加萊的論證更接近物理，因為後者將此考慮為數學問題。通常這個新理論是歸功於愛因斯坦，但龐加萊的確在其中起了重要的作用。

顯然邁克爾遜-莫雷實驗的巧妙儀器和巧妙測量方法是絕對可信的。而且又經過如此多年的反覆實驗，都得到一致的結果。那麼我問大家一個問題，邁克爾遜-莫雷實驗還有值得討論的疑點嗎？

「邁克爾遜-莫雷實驗」對以下三點現代物理知識產生了直接影響。

1、以太，以太風不存在。

2、光的傳播不需要介質

3、光速不變。

尤其是後兩個認識對後來物理學理論【主要是相對論】產生了巨大的影響。但邁克爾遜-莫雷實驗的本來目的是驗證以太存不存在。我上面就說了，實驗驗證得到的答案，比我們想的多。

嚴格來講，邁克爾遜-莫雷實驗結果並不能得出光傳播不需要介質。所以它到今天還有討論的必要。

邁克爾遜-莫雷實驗是一個「以證明以太的存在為目的」而設計嚴謹和精度極高的物理實驗。

這個實驗設計的前提假設是：

1、「以太」無處不在，充滿整個宇宙空間。

2、以太是光傳播的介質。

3、以太是絕對靜止參考系

在這三個前提下，邁克爾遜-莫雷實驗的原理就是「通過測量不同方向上的光速變化來證明地球與以太之間存在相對運動（即證明有「以太風」存在）」。

換句話說，因為以太是光傳播的介質，因此，如果地球與以太之間存在相對運動（以太風）的話，那麼在地球運動不同方向上的光速就會不同，這樣就可以通過測量出不同方向上光速之間的相對不同來證明以太的存在。

然而實驗結果證明，不論地球運動的方向與光路的方向是否一致，兩條不同方向上的光線之間的相對速度都是相等的。這個結果說明，在宇宙空間中並不存在設想中的那個能夠與地球產生相對運動的「以太」。

雖然邁克爾遜-莫雷實驗的結果雖然證明了以太是不存在的，但並不等於它也證明了宇宙空間是什麼都不存在的絕對真空。隨著當代物理研究的不斷深入，越來越多的實驗發現，宇宙空間不可能是真空的。

也就是關於「真空不空」的探究現在是熱點。真正既然不空，宇宙空間中一定充滿著什麼東西，不是以太，也一定會有其他的什麼東西存在。否則，很多自然現象和量子理論問題就無法得到解釋。

真空技術是當今廣泛應用的一項高端技術。例如電視機顯象管中的真空度達到幾十億分之一個大氣壓, 以保證圖象清晰；在高能粒子加速器上, 為防止加速的基本粒子與管道中的空氣分子相碰撞而損失能量, 需要管道保持幾億億分之一個大氣壓的超高真空。在這樣高的真空度下, 一立方厘米的空間內大約有上千個空氣分子。科學家們把完全沒有任何實物粒子存在的真空稱為為「物理真空」。那麼「物理真空」中真的一無所有嗎?

真空非但不空, 而且非常複雜, 它是一個填滿負能電子的海洋。本世紀二十年代，英國物理學家狄拉克建立了一個正確描述極高速運動電子的狄拉克方程, 把狹義相對論和量子力學有機地結合起來了，並預言負能量的電子的存在。

我們日常見到的物體帶的都是正能量，如高山流水、星移斗換等等, 總之我們所看到的世界是一個正能量的世界。可是, 在這個正能量世界的背後，是一個絕對看不見的負能世界。雖然在我們生活的空間中充滿密密麻麻的負能電子, 可是, 我們一點感覺不到它的存在。

本指沒有任何實物粒子存在的空間，但什麼都沒有的空間是不存在的。而假設你把一個空間的氣體都趕跑，會發現還是不時有基本粒子在真空中出現又消失，無中生有。

物理上的真空實際上是一片不停波動的能量之海。當能量達到波峰，能量轉化為一對對正反基本粒子，當能量達到波谷，一對對正反基本粒子又相互湮滅，轉化為能量。

真空不空，那麼光就是在物質世界裡穿梭，需不需要靠介質傳播，就依然是個謎團。假若真空真的是絕對空的，那麼真空中的光行進，肯定就不需要介質。目前認為真空是不空的。

但目前的所有光傳播的實驗結果，都顯示了光傳播不需要介質。這是我們要清楚的事實。

真空一般具有如下性質：

1.空非無。如果真空中沒有粒子，我們就會準確的測出場(0)與場的變化曲率(0)，然而海森堡不確定性原理表明，我們不可能同時精確地測出一對共軛量，所以，可以「空」，不能「無」。因此，在真空中，粒子不停地以虛粒子、虛反粒子對的形式憑空產生，而又互相湮滅，在這個過程中，總的能量保持不變。

2.真空存在極性。因此說真空是不對稱的。但這種不對稱是相對局部的，在相對整體上又是對稱的，如此的循環嵌套構成了真空的這個性質。

我在另一本物理宇宙科普書《變化》中，就這個問題也進行過討論。還舉過兩個粒子。

1、一個瑞典物理學家小組成功地實現了真正意義上的「無中生有」——首次從真空中創造出閃光。

該小組讓一個特殊組件在磁場中以1/20倍光速移動，並通過改變磁場的方嚮導致該組件出現「震動」。這樣做的結果是從真空中產生了一束粒子流——這完全符合理論預計。這一不尋常的發現被認為是物理學的一項重大進展，並引起了全世界物理學界的關注。

這一現象基於一個詭異的理論：量子力學。這一理論提出：真空並不存在，所謂的真空中其實充斥著粒子，只是這些粒子太微小，並且不斷的產生和消失，因此難以探測。

2、卡西米爾效應。即在真空中兩片平行的平坦金屬板之間的吸引壓力。這種壓力是由平板之間空間中的虛粒子的數目比正常數目小造成的。

因此，針對邁-莫實驗結果的討論實際上並沒有終結。今天我們仍然有必要對為什麼邁克爾遜-莫雷實驗得到的是零結果這個問題做出進一步探討。

摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學書籍《見微知著》

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