迈克尔逊-莫雷实验

迈克尔逊—莫雷实验1、“以太”的历史“以太”的概念有着漫长的历史。古希腊时代，以太指的是青天或上层大气，有时也表示占据天体空间的物质；亚里士多德就曾把它视为构成天体的基本元素。17世纪的笛卡儿首先将以太引入科学，并赋予它的力学性质。在笛卡儿看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用。因此，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力。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和惠更斯为解释光现象，都假设存在着以太。牛顿也像笛卡儿一样反对超距作用并承认以太的存在。在他看来，以太不一定是单一的物质，因而能传递各种作用，如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动，但以太的振动不是光，因为光的波动学说（当时人们还不知道横波，光波被认为是和声波一样的纵波）不能解释现在称为的光的偏振现象，也不能解释光的直线传播现象。18世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律而使牛顿的追随者起来反对笛卡儿哲学体系，连同他倡导的以太论也在被反对之列。随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功以及探寻以太未获实际结果，使得超距作用观点得以流行。光的波动说也被放弃了，微粒说得到广泛的承认。到18世纪后期，证实了电荷之间（以及磁极之间）的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃，超距作用的观点在电学中也占了主导地位。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，阿拉戈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。菲涅耳用波动说成功地解释了光的衍射现象，他提出的理论方法能正确地计算出衍射图样，并能解释光的直线传播现象。菲涅耳进一步解释了光的双折射，获得很大成功。1823年他根据杨的光波为横波的学说和他自己1818年提出的透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定，在一定的边界条件下，推出关于反射光和折射光振幅的著名公式。菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式。1818年他为了解释阿拉戈关于星光折射行为的实验，在杨的想法基础上提出：透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比，他还假定当一个物体相对以太参照系运动时，其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动（以太部分曳引假说）。由此即可得出物体中以太的平均速度为，其中v为物体的速度。系数称为菲涅耳系数。利用以上结果不难推得：在以太参照系中，运动物体内光的速度为：其中θ为u与v之间的夹角。上式称为菲涅耳运动媒介光速公式。它为以后的斐索实验所证实。19世纪中期曾进行了一些实验以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应，并由此测定地球相对以太参照系的速度υ，但都得出否定的结果。这些实验结果可从上述菲涅耳理论得到解释。根据菲涅耳运动媒质中的光速公式，当实验精度只达到量级时，地球相对以太参照系的速度在这些实验中不会表现出来。要测出υ，精度至少要达到的量级（估计），而当时的实验都未达到此精度。在杨和菲涅耳的工作之后，光的波动说就在物理学中确立了它的地位。2、以太的实验研究1870年前后天文学家关于光的传播方式的研究发生了兴趣。引起他们兴趣的直接原因是迈克尔逊—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。1879年，麦克斯韦又提出了一种探测以太方法：让光线分别在平行和垂直于地球运动的方向等距离地往返传播，平行于地球运动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间。1888年，赫兹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？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，在地球上静止的玻璃块穿过以太运动时，以太要穿过玻璃流出，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。玻璃的折射率等于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而变化。通过测量玻璃在空间不同方向的折射率，原则上应该检测到地球相对于以太的运动。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。图8-10为菲索实验原理图实验如图1所示：从水银灯L发出的单色光落在P1上。P1上涂一层银的半透膜，它刚好使一半发生反射，另一半直接透过至M1并被M1反射。这样，就得到了两束强度相等的平行光、然后借助P2、M2观察两束光的干涉现象。做好上述准备后，再从A中注入高速水流从B流出。由此，在M1P2水管中水流与光线边向而行，在P1M2水管中，水流与光线同向而行。如果水流速度像风速影响声速那样影响光速，则在M1P2管中，光与水流的合成速度将是c—υ，在P1M2中则是c＋图8-10为菲索实验原理图斐索用各种不同的水流速度做了精确的测量。所得到的减少或增加量均不满足低速运动物体（如声音和空气）的速度合成规律，却与上述包含菲涅耳曳引系数的速度加法相一致。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。从而大分的学