迈克耳孙一莫雷实验.docx

迈克耳孙一莫雷实验迈克尔逊——莫雷实验1、以太问题的来龙去脉“以太”概念来自希腊语，原意是高空、苍天，即地球大气层之外的上层空间以太思想早在古希腊的科学中就已出现，它作为四元素（火、土、水、气）之外的元素而被引入当时人们认为，上层空气是由以太组成的，因而古代宇宙学假设以太占据着整个天空区域笛卡儿（R．Descaries，1596～1650）第一个赋予以太以力学性质，他否认超距作用的存在在笛卡儿看来，以太充满了整个空间，能够作为传递力的媒质井对浸入其中的物体施加作用他甚至试图用以太的涡漩来说明天体的运动，例如提出涡漩携带着行星绕太阳转动光的波动说的始祖胡克（R．Hooke，1635～1703）和惠更斯（C．Huygens，1629～1695）为解释光现象，都假设存在着以太就连微粒说的创始人牛顿（I．Newton，1643～1727）也不例外，他说：“必须假定有一种以太煤质，它的结构和空气十分相似，但要稀薄得多，精细得多，而且有弹性以大能够渗进所有粗大物体，但在它们的空隙中要比在自由空间中稀薄，而且孔隙愈细而愈稀薄他认为，在光、电、磁现象中，甚至在引力作用中，无所不在的以太都积极参与进来进入19世纪，由于光的波动论的复活和电磁理论的发展，以太问题成为科学家研究的热门课题。

在19世纪上半叶，所有研究以太问题的人都是期望建立一个合理的光理论而探讨它的，阿拉哥实验和光行差被看作是这个理论的试金石后来人们着手讨论光行差理论，也是期望它能提供一种以太模型，以便利用这种以太模型解决光的横波理论所面临的严重困难因此，这个时期的以太问题也许可以看作是以光理论的正确性的争论为背景的19世纪50年代和60年代，较少讨论以太问题，1870年前后却增大了兴趣，主要是天文学家关于光的传播方式的研究80年代后半期，物理学家开始对以太问题的一个新方面，即以太和有质物质（ponderable matter，亦译有重物质或可称量物质）的关系问题发生了兴趣引起他们兴趣的直接原因是迈克尔逊一莫雷实验，可是另一个重要的因素是麦克斯韦的电磁理论，该理论大大提高了以太在物理学中的地位赫兹1887年的实验不仅仅是证实了麦克斯韦的预言，在当时物理学家的心目中，它也是以太存在的明证在以太传统浓厚的英国，有相当一部分物理学家专门研究以太问题，以致形成了所谓的“以太学”格拉斯哥的开尔文勋爵（Lord Kelvin，1824～1907）十分迷恋于构造以太模型，妄图以此把光、电、磁等现象都总括起来他甚至认为原子是以太中的涡漩，就像空气中的烟圈一样，这就是所谓的“涡漩原子”。

2．以太问题的实验研究和有关的以太漂移实验2、1．光行差问题与一阶以太漂移实验在以太问题的研究中，一个最恼人的问题是以太漂移问题：地球通过以太运动，二者的相对运动究竟是怎样的？早在17世纪，英国天文学家布雷德利（J．Bradley，1693～1762）为了寻找回地球公转所引起的恒星视差，从1725年12月到1726年12月持续进行观察，发现恒星表观位置在一年内确有变化这就是所谓的“光行差”现象这样，当地球绕太阳转一周时，观察恒星用的望远镜也必须转一小椭圆形布雷德利认为这个现象是由于光速c是有限的和地球的公转（υ=30千米/秒）引起的，他利用两个速度的合成来解释光行差现象这种解释是建立在光速和地球公转速度互相独立的前提上的，它极其自然地被光的粒子说所接受按照以太理论，正是由于地球相对于以太速度有变化，才产生光行差现象，就像“以太风”把恒星光线吹偏了一样用这种解释能够得出光行差的正确值，精确到υ/c的一阶量，可是利用光行差并没有测出地球相对以太的绝对速度按照这种以太理论，在地球上静止的玻璃块穿过以太运动时，以大要穿过玻璃流出，这样在玻璃块内部，光的波速应该依赖于内部光线方向和“以太风”方向之间的夹角，因此对于以不同方向穿过玻璃的光线也应该是不同的。

玻璃的折射率等宇光在玻璃内外的波速之比，从而应该随穿过玻璃的光线方向顾感化．通过测量玻璃在空间不同方向的折射率，原则上应该出回目地球相对于以太的运动蒋名的法国天文学家和物理学家阿拉哥（F．Arago，1786～1858）不满意布雷德利仪器的精确性，他把消色差棱镜放在望远镜前，观察各个恒星光线的偏离程度如果棱镜的折射率依赖于光线相对于“以太风”的方向，那么棱镜引起的偏离应该随恒星光线的方向而变化阿拉哥发现，无论恒星在天空中的位置如何，棱镜引起的偏离都没有任何变化，因此利用阿拉哥实验不可能发现地球相对于以太运动的变化 阿拉哥后来转向光的波动说1818年，他写信给菲涅耳，让非涅耳用光的波动说来解释他的实验结果以及光行差现象菲涅耳响应了阿拉哥的建议，他力图用静止以太的假设和以太在折射物体中的曳引系数来解释这些实验事实菲涅耳认为，地球是由极为多孔的物质构成的，以太在其中穿过几乎不受什么阻碍，以太也许可以假定是静止的，要是这样，光行差现象便可以简单地加以说明为了解释阿拉哥实验，菲涅耳还假定，透明体内的以太与周围的以太相比，只是过剩的部分被以太曳引他从折射率与以太密度的平方成正比的设想出发，通过一定的计算，得出曳引系数是211n -。

其中n 是物质的折射率由于空气的折射率接近于1，它就不能或者仅能微弱地曳引以太，因而可以认为地球表面的以太是静止的这就是菲涅耳的静止以太说菲涅耳还证明，如果相对以太运动的玻璃曳引以太的量恰为211n -，那么在精确到c υ（10－4）的一阶项时，光学现象不受地球相对以太运动的影响，而且光速与光传播的媒质的速度无关可是，菲涅耳理论并未马上被人们认可1843年，多普勒（C ·Doppler ，1803～1853）发表了关于光行差的总释，他认为菲涅耳的理论是不对的，因为它建立在一切物体对以太都是透明的假设之上，他指出光行差向新波动说提出了话难1845年，英国物理学家斯托克斯（G ．Stokes ，1819～1903）尝试把波动论从这一困境中拯救出来斯托克斯的理论是以下述两个假设为基础的：其一是，在地球表面，以太与地球之间没有相对运动，即以太全部被地球曳引，在离开地球表面某一高度的地方，以太可以认为是静止的；其二是，以大的运动是无旋的，即具有速度势斯托克斯按照他的理论也可以导出菲涅耳曳引系数斯托克斯是一位出色的流体动力学家，1845年4月14日，他向剑桥哲学学会介绍了关于粘滞流体和弹性体的长篇研究报告，4周前，他的光行差理论也是在那里提出的。

在报告的末尾，他宣称具有小切变弹性和大塑性的固体与具有大粘滞性的流体几乎没有差别，以太即便是流体，也能传播横波（光是横波）1851年，斐索做了运动媒质中光速的实验从在地球上处于静止的光源发出的单色光由平面镜反射，通过透镜变成平行光，然后被两个狭缝分成两束，从U 形玻璃管的两端进入入射光线经过另一组透镜和平面镜的作用，从而使反射光线发生了交换当U 玻璃管通入水流时，其中一条光线总是在顺水方向上沿玻璃管传播，另一条总是在逆水流的方向传播，最后使两条光干涉斐索利用波长为5.26×10－7米的黄光，U 形管臂长1.487米，水的流速是7.059米／秒根据菲涅耳理论计算，干涉条纹的移动应是0.2022，实测值是0.23这两个值几乎相等从而大大提高了菲涅耳理论的威信这也说明，在一阶υ/c 的精度内，光现象不受地球相对以太运动的影响后来，艾里（G ．B ．Airy ，1801～1892）在1871年用充水的望远镜观测恒星光行差，在l ，八一阶量的精度内证实了菲涅耳的理论霍克（M ．Hoek ）在1868年，马斯卡尔特（E ．Mascart ，1837～1908）和雅明（J ．C ．Jamin ，1818～1886）在1874年报告，他们根据相同的原理，用干涉仪做了实验，也得到与阿拉哥实．包奖似的结果。

这清楚地说明，在精确到υ/c 的一阶量，用光学用仪器无论如何也检测不到地球相对于以太的绝对运动当光通近的以质相对于实验室运动时，可以看到干涉条纹的移动，例如当底实地（当然，如果媒质是空气，由于n=1，空气不曳引以太，就号不到条纹的移动）可是，菲涅耳的理论也不是一点困难也没有．由于曳引系数依赖于折射率，而媒质的折射率又随光的频率而变化，所以曳引系数不得不取决于光的频率白光是由各色光组成的，因此解释白光在水中传播就遇到了困难 2、2．迈克尔逊一莫雷实验其实，麦克斯韦在1867年就指出，在地上做测量光速的实验，因为光在同一路径往返，这样地球相对于以太的速度，就将作用于双程的时间上，其数量取决于地球的速度与光速之比的平方，即8210)/(-≈c υ这个量太小，要在实验中检测出来是相当困难的1879年3月19臼，麦克斯韦在逝世前不久致美国航海历书事务所托德（D ，P ．Todd ）一的信中，提出了量度太阳系相对以大运动速度的计划麦克斯韦认为，如果地球相对于静止的以太运动着，那么沿地球运动方向发出一个光信号，到一定距离又反射回来，它在整个往返路程上所花费的时问，要稍小于同样的信号沿垂直于地球运动方向到相等的距离往返所花的时间。

按照牛顿速度加法法则，这显然是由于光沿地球运动方向的速度与沿垂直地球运动方向的速度不同所致当时，正做海军教员的迈克尔逊（A．A．Michelson，1852～1931）采纳了这一想法阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊出生在普鲁士和波兰之间一块有争议的领土上的一个中产阶级家庭4岁时，他随同父母经由巴拿马、纽约，最后到旧金山侨居，老迈克尔逊卷入到淘金热之中1869年，迈克尔逊亲赴白宫，争取到在海军学院深造的机会1873年毕业后，他在海上进行了几次航行，后来被任命为海军学院的物理讲师，从此他以光速的测量开始了他的科学生涯迈克尔逊是出色的光学专家，也是一位科学的艺术家，他的最大乐趣在于实验本身的优美和使用方法的精湛1907年，迈克尔逊“由于在精密光学仪器、光谱学、计量理论研究方面所取得的成果”而荣获诺贝尔物理学奖金，从而成为获得这一领域最高荣誉的第一个美国公民在1880年到1882年间，迈克尔逊获准在德国和法国等地进行研究和进修1880年至1881年冬，当迈克尔逊在亥姆霍兹（H．von Helmholtz，1821～1894）的实验室工作时，在仪器制造商的帮助下，他设计并组装了一种干涉仪，想以此实施麦克斯韦的建议，检测地球和以太的相对运动（“以太风”）。

迈克尔逊干涉仪是这样的：它有两个等长的、互成直角的臂，两臂的末端装有反射镜两臂交叉处有一面倾斜的半镀银的镜子，可以把光线分为两束，一束穿过中心镜的非反射面，另一束则沿第二臂以直角反射出去，这两束光在到达各自臂端的反射镜上时，被反射回来在按合处相遇而发生干涉仪器安装在十字托架上，整个装置可在支柱上转动开始时使一个托架向东西方向，然后转动90°，观察所产生的干涉条纹的移动由于在柏林无法完成实验，迈克尔逊把整个装置运送到波茨坦天体物理观察站进行实验所期望的干涉条纹的位移是0.1，实测值仅为0.004～0.005，这只不过是实验的误差而已显然，二阶以太漂移实验的否定结果（也称“零结果”）表明，地球和以大之间并没有可觉察的相对运动这次实验是在1881年4月进行的，同年6月，迈克尔逊在《美国科学杂志》发表了他的实验报告迈克尔逊写道；“这些结果的解释是，不存在干涉条纹的位移，于是静止以太的假设被证明是不正确的，并且一个必然的结论就是，该假设是错误的这一结论直接与光行差现象的解释相矛盾，而光行差现象的解释迄今却被普遍地接受了，这个解释预言地球通过静止以太运动这些结果不能不与斯托克斯1846年在《哲学杂志》发表的论文的附加摘要相一致。

1881年的实验并未引起人们足够的重视，因为实验精度还不够高，尤其是迈克尔逊的计算有错误＿，这个错误已超过了实验的误差范围1881年冬，巴黎的波蒂埃．（M．A．Potter）指出了其中的计算错误。