“以太漂移”的探索

摘要本文系统的介绍物理学中“以太漂移”的探索过程，探讨以太的性质，分析以太的存在与否，并指出在现代物理学中真空在本质上是一种以太。关键词：以太，以太漂移，实验，假说如果说，电子和电磁质量的发现，从电的方面为现代物理学开辟了道路，那么，

“以太漂移”的探索则从光的方面打开了另一个缺口，促使现代物理学革命爆发。1、以太说的起源1.1在物理学思想的发展中，“以太”是作为一种特殊物质被引进物理学的。1.2笛卡尔1644年发表的《哲学原理》中也引用了以太的观念他认为由于太阳周围以太出现漩涡，才造成行星围绕太阳的运动。1678年惠更斯把光振动类比于声振动，看成是以太中的弹性脉冲，以太又充当了光波的载体。1800年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重新抬头在波动说的支持者看来光既然是一种波，就一定要有载体存在。1.5而麦克斯韦则设想用以太的力学运动对电磁现象作出解释.他所提出的光的电磁理论，又把产生电磁现象的媒介和光以太统一起来。在电磁波以光速传播的预言被证实后，以太的存在便在物理学界获得了广泛的承认。2、以太绝对参考系对于电磁现象的研究，可以定义一个最优惯性系，即相对于以太静止的参照系，这实际上就是牛顿的“绝对空间”，而且利用在静止以太中以太恒定速度传播的光信号，又可以确定出在宇宙中一切地点都同步的“绝对时间”这样，充满整个宇宙的绝对静止的以太，就成了牛顿绝对时空的物质框架3、“以太漂移“的探索3.1光行差得观测1725---1728年，英国天文学家詹姆斯布拉德雷(Bradley・James)，发现星光的光行差并用它测定光速。他测出的光速是308,300公里每秒，很接近现代数值299,792公里每秒。这一数值公布于1729年，它证实了奥利•罗默1679年公布用另一种方法所测光速的正确。3.2阿拉果的望远镜实验法国著名的物理学家阿拉果从牛顿力学速度叠加原理出发，认为如果发光体和观测者的运动速度不同，光速应有差别，于是他亲自做了一个实验：在望远镜外用消色差棱镜加于望远镜视场的半边，然后用望远镜观测光行差。但是实际观测结果却是经过棱镜和不经过棱镜的两边，光行差完全一样。这个实验正说明经典的速度叠加原理不适用于光的传播。但是阿拉果和布拉德雷一样，都是光微粒说的信仰者，只能在微粒说的前提下做个勉强的假设。他假设星体以无数种速度发射光的微粒，只是因为人眼对光有选择性，只能接受某一特定速度的光微粒，所以看不出差别。假说一：在透明物体中，以太可以部分地被这一物体拖曳。假说二：假设透明物体的折射率决定以太的密度。假说三：假设这些密度与折射率的平方成正比。假说四：真空中的以太是绝对静止的，透明物体运动时，物体只能带动多于真空的那一部分以太。他的假说既解释了光行差现象，又解释了阿拉果的实验。1845年，英国的物理学家斯托克斯提出粘性流体运动理论，次年，他把这一理论用于以太漂移运动，认为在物体表面，以太会被运动物体完全拖曳。他假设在运动物体表面附近有一速度逐渐减慢的区域，形成梯度，离开一定的距离，以太才完全静止。他的出得结论与菲涅尔一致，同样可以解释阿拉果的实验。斯托克斯的完全曳引假说看起来比菲涅尔的部分曳引假说更合理些，但是由于不久就有斐索的流水实验支持了菲涅尔，所以斯托克斯的假说没有受到重视。3.4斐索的流水实验1859年，斐索做了一个流水实验，实验的目的是为了考察介质的运动对在其中传播的光速有何影响，从而判断以太是否被拖曳。实验装置如下图所示，光束由光源发出后，经过半透镜后分为两束，一束光与水流方向一致，另一束光则与水流方向相反，两束光在观察者处产生干涉条纹。证明了菲涅尔公式。郎.51868年霍克用更为严密的以太漂移实验，进一步证实了菲涅尔的部分曳引假说，从而使这一假说成了以太理论的重要支柱。3.5迈克尔孙干涉仪实验迈克尔逊干涉仪，是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量。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，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，证实了以太的不存在。3.6洛奇的转盘实验BACHELOR'STHESISBACHELOR'STHESIS迈克耳孙-莫雷实验对菲涅尔部分拖曳假说是一个致命的打击。迈克尔孙和莫雷倾向于斯托克斯的完全曳引假说，但是从斯托克斯的完全曳引假说出发，必然会引出一个结论，即在运动物体表面有一速度梯度的区域，如果靠的很近，总可以察觉出这一效果。英国物理学家洛奇（OliverJosephLodge,1851—1940）在1892年做了一个钢盘转动实验，以试验以太的漂移。他把两块靠得很近（相距仅1英寸）的大钢锯圆盘（直径为3英尺）平行地安装在电机的轴上，高速地旋转（转速可达4000转/分）。一束光线经半镀银面分成相干的两路，分别沿相反方向，绕四方框架在钢盘之间走三圈，再会合于望远镜产生干涉条纹。如果钢盘能带动其附近的以太旋转，则两路光线的时间差会造成干涉条纹的移动。但是，不论钢盘转速如何，钢盘正转与反转造成的条纹移动都是微不足道的。3.7收缩假说的提出爱尔兰物理学家费兹杰惹说：“我很有兴趣地读到了迈克耳孙和莫雷先生极其精密的实验结果，这个实验是要判定地球是如何带动以太的，其结果看来跟其它证明了空气中以太只在不大程度上被带动的实验（按：指斐索流水实验或霍克实验）相反。我建议，唯一可能协调这种对立的假说就是要假设物体的长度会发生改变，其改变量跟穿过以太的速度与光速之比的平方成正比。”1892年，荷兰物理学家洛仑兹在《论地球对以太的相对运动》中独立地提出了收缩假说，他给出了严格的定量关系。即假设固体上两点的联线，如果开始平行于地球运动的方向，当它后来转90°时就不再保持相同的长度。他根据牛顿力学的速度加法规则，推出只要长度的收缩系数a为v2/2c2，就可以在（v/c）2的量级上解释迈克耳孙-莫雷实验的零结果。1895年，洛仑兹发表《运动物体中的电和光现象的理论研究》一文，更精确地推出了长度收缩公式：他认为，这一结果不仅能解释迈克尔孙一莫雷实验，而且可以预言在地球上不可能观察过以太风的各种效应，包括各种量级。他把长度收缩效应看出是真实的现象，归之于分子力的作用，并把这些结论纳入他的电子论中。4、结束语以太说中那个被加上了种种机械的、绝对的性质的以太被否定了，但作为天体本原物质的以太还没有完全水落石出。我们已经看到，“以太”，空间，真空指的都是具有物理性质的物理实在,只不过名称不同而已。从唯物主义观点出发,只要不承认超距作用，既然有大量事实真空性质的研究，以太的物质性就不可否定。以太的不存在超距作用,不存在绝对空虚意义上的真空这些精神,至今依然具有旺盛的生命力。笛卡尔提出的“弥漫宇宙、无所不在”的物质的真面目还有待最终揭开。我们期待，粒子物理学的两大疑难解开之日，将是以太之谜的谜底揭开之时。QinTiantainPhysics020940205Advisor:ZhouZhenABSTRACTThispaperintroducesthesysteminphysics"Etherdrift"explorationprocess,discussesthenatureoftheether,analyzestheetherexisteneeornot,andpointsoutthatinthemodernphysicsvacuumisinesseneeakindofEthernet.KEYWORDS:Ether,Etherdrift,experiment