胡翌霖 邁克爾遜實驗

阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜

作者 胡翌霖 (清華大學助理教授)

責編 許嘉芩 劉愈

我們先來講第一朵烏雲，也就是邁克爾遜的以太漂移實驗。

什麼是「以太」呢？以太是一個古老的概念，在古希臘人那裡，指的是天界的「第五元素」，隨著科學革命打破了希臘人的元素理論和天地二分的觀念，「以太」這一概念也隨之淡出了，而這個辭彙在19世紀隨著光的波動說的復興而被重新引入物理學。

與牛頓同時期的胡克和惠更斯等人就主張光是一種波，而牛頓認為光是由微粒構成的，由於牛頓的威望，以及微粒說的確能夠更好地解釋光的直線傳播等現象，微粒說一度成為主流。但到了1801年，托馬斯·楊進行了著名的「楊氏雙縫實驗」，發現了光的干涉現象（圖.1、圖2）。干涉現象是波動特有的現象，同源光通過兩個小縫之後形成了兩個光源，這兩個光源有著相同的頻率和相位差，那就會形成某些地方波峰與波峰疊加，有些地方波峰與波谷抵消，形成明亮相間的條紋，而不只是簡單地把兩束光疊加起來形成一個大光斑。

稍後菲涅爾復興了惠更斯的學說，完善了光的波動說，從數學上給出了光的干涉、衍射、偏振等現象的精確解釋，此後物理學家開始把光認作一種像水波那樣的橫波。

再後來，我們知道，麥克斯韋完善了電磁學理論，提出了電磁波的概念，並把光也認作一種電磁波。

波動本身並不違背經典力學的世界觀，水波、聲波等等都是早已為人熟知的波動現象。但在經典力學的視野下，波動總是某種介質中的波動，沒有水就沒有水波，沒有空氣或任何傳遞振動的介質聲音就無法傳播。但當時已經有實驗表明電磁波在真空中也能傳播，那麼電磁波的傳播介質又是什麼呢？經典力學能夠接受波動，但接受不了脫離介質的波動，因此物理學家們引入了「以太」的概念，認為光和電磁波都是在充斥在宇宙空間之中的「以太」中傳播的。

圖1

圖2 楊氏雙縫干涉實驗

根據光波的性質，科學家們推測以太的性質，比如它非常堅硬，但也非常稀薄，等等，但是誰也沒有真的檢測到以太本身的存在。然而科學家們對以太的存在仍然深信不疑，因為它是解釋光的波動所必須的東西。這種情況在科學史上是常見的，例如科學家們在能夠實際檢測到原子之前就已經相信原子的存在，晚近的夸克、暗物質等等也是類似，雖然我們沒有直接「看到」它們，但通過理論推測，我們對它們的存在深信不疑——因為如果它們不存在，某些已被公認的理論就要垮台。

在19世紀80年代，邁克爾遜開始嘗試測量以太的影響。邁克爾遜是一個偉大的實驗家，他一生致力於對光速的精密測定。

當時人們相信，以太是瀰漫在宇宙空間中的靜止的背景，地球和太陽都在宇宙空間中運動，因此相對以太而言是高速運動著的（圖3）。既然如此，在地球上兩個互相垂直的方向上，相對於以太的運動肯定是不一樣的，迎著「以太風」的方向走，光速應該要慢一些。

圖3 太陽和地球相對於以太背景高速運動

於是邁克爾遜設計了這樣的實驗（圖4），他讓一束光透過一個偏振鏡，一半透射另一半被反射，就形成了兩個互相垂直的相干光源，這兩束光在一定距離之後再反射回來，最終匯聚到屏幕上面。如果這兩束光的速度有差異，那麼在匯聚的時候就會形成相位差，因而會形成干涉條紋，如果速度一致，就是簡單的疊加，形不成干涉條紋。

圖4 邁克爾遜—莫雷實驗示意圖

實驗的結果很簡單，無論他怎麼調整實驗方式，都沒有發現干涉條紋，之後他和同事莫雷合作（因此這一實驗被稱作邁克爾遜—莫雷實驗），提高實驗精度，但始終都是零結果。

從馬後炮的視角來看，這個實驗其實已經證明了光速不變，推論出相對論也是水到渠成的事情，但是當時並沒有多少人認為這一實驗證明了以太不存在。科學史上所謂的判決性實驗往往都是馬後炮的，對一個實驗結果總是有無數種解釋，比如沒有發現恆星周年視差可以解釋為哥白尼理論的失敗，也可以解釋為恆星太過遙遠；比如天王星軌道的異常可以解釋為牛頓理論的失敗，也可以解釋為還有一顆尚未發現的行星在干擾。邁克爾遜實驗可以解釋為以太壓根不存在，但也可以解釋為某種尚未發現的效應。

當時的大多數物理學家也並沒有因為邁克爾遜實驗的零結果就放棄經典力學，而是以各種方式試圖修補它。其中洛倫茲的方案十分高明，他提出物體在通過以太的時候，沿著運動方向的長度會發生收縮，時間也會隨著運動而延緩，這樣就得到了光速不變的結果，這種處理被稱作洛倫茲變換，後來愛因斯坦從狹義相對論重新導出了它。洛倫茲變換在數學形式上與狹義相對論是吻合的，但仍然是從經典力學的角度構建的。

《過時的智慧——科學通史十五講》

【本文摘自《過時的智慧——科學通史十五講》第十五講 相對測量：20世紀物理學革命，上海教育出版社，2016年7月出版。】

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