迈克耳孙-莫雷实验

迈克耳孙－莫雷实验

背景

“以太”（ether）是古希腊人设想的一种表示天空构成的元素，它在天空中弥散着，并且对天体的运动不产生阻碍作用。后来，在物理学思想的发展中，“以太”作为一种特殊物质被引进物理学。17世纪，法国科学家笛卡儿为了解释物体之间的作用力，特别是万有引力现象，最先赋予了以太以某种力学性质。在他看来，空间被以太这种连续的媒质所充满，物体之间的所有作用力都是通过它的应变和运动来传递的，不存在任何超距作用。当胡克和惠更斯提出光的波动说时，以太又充当了光波的载体。因为按照当时的力学理论，任何波动都是某种媒介物质的力学振动的传播。由于光可以在真空中传播，因此以太必然是充满全部空间的，包括真空和对于光是透明的各种物体之中。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观的物质框架。因而通过“以太漂移”的实验探索以太的存在状态，就成了非常重要的问题。

1728年英国天文学家布莱德雷（J．Bradley，1693－1762）所发现的“光行差”现象，可以看作是关于“以太漂移”的早期观测。但是，如果以太完全不被地球拖曳，运动着的地球就应当感到有“以太风”，这种以太风将会对从不同方向射到地球的星光产生不同的影响，这些速率不同的光线就会在通过望远镜的玻璃透镜时呈现出不同的折射率。从这种考虑出发，1810年法国科学家阿拉果（D．F．J．Arago，1786－1853）用望远镜观察来自不同方向的恒星光线，企图发现由“以太风”的作用而产生的这种效应，却意外地得出了否定的结果。1818年，菲涅耳在得知阿拉果的结果后，写信给阿拉果提出了部分拖曳假说。他指出，只要假设以太有确定的一部分被运动物质曳引，就可以同时使布莱德雷和阿拉果的实验得到解释。1871年，英国天文学家艾里（G．B．Airy，1801－1892）用充水的望远镜测量了光行差，证实了菲涅耳的预言。1851年，法国物理学家菲索（Ａ．H．L．Fizeau，1819－1896）设计了一个实验，实验结果都证实了菲涅耳的以太部分拖曳假说。

与菲涅耳相反，英国物理学家斯托克斯（G．G．Stokes，1819－1903）却不

相信物体可以在以太中自由穿行而不生扰动。他于1845年提出了以太被运动物体全部拖曳的假说，但为了避免使来自恒星的光穿过一层层运动速度不同的以太时会受到偏折并使其速度发生改变，斯托克斯不得不对以太的性质和运动附加一些特别的假设，才能解释有关的光学现象。而这些假设又是与力学定律相矛盾的，这使他的全部拖曳假说遭遇了无法克服的困难。

关于光学多普勒效应的实验，表明在v / c 的一阶效应范围内，光学多普勒效应也仅取决于观察者和光源之间的相对运动，发现不了以太风的存在。

总之，到19世纪后期，关于以太风是否存在的问题，必须在测定出与（v ／c ）2成比例的二阶效应的情况下才能作出判定。但当时可利用的最大速率就是地球的周年绕日轨道速率，即30km ／s ；它只为光速的10－4，所以（v ／c ）2 的二阶效应的数量级就是10－8。连麦克斯韦在《大不列颠百科全书》的有关条目里也表示，“考虑到等于地球轨道速度的相对于以太的速度所引起的传播时间的增量，将只有全部传播时间的一亿分之一，因而是全然觉察不到的。”

迈克耳孙-莫雷实验

1879年3月，麦克斯韦由于得到美国航海年历局的托德（C ．P ．Todd ）寄给他的一份有关木星的天文表，写信向托德致谢。信中同时询问了通过在地球运动轨道的不同部位所进行的木卫食的观测数据，是否有足够的精确度来确定太阳系相对于以太的绝对运动速度v 。他具体设想，利用半个地球年的两个位置，分别测出两个木卫食的时间，然后把太阳系的速度考虑进去，得到两个时间差值计算式，再根据地球运动轨道的直径值就可以算出太阳系的绝对速度。托德在回信中说，由于天文数据的精确度较差，进行计算是无意义的。不过麦克斯韦在信中还指出，是否可在地面上进行某种实验，测出地球相对于以太的速度。这种实验所观测的相对时间变动可由下式计算：

)1(2222

22c

v c L v c Lc v c L v c L t +≈-=-++=， 这是一个v ／c 的二阶效应。他在信中写道：“地面上一切测量光速的方法，都是使光沿同一路径返回，所以测不出地球相对于以太的速度；只有地球运动速度和光速之比的平方，才会对往返的时间产生影响，但这个量是极小的，无法观测

出来。”

麦克斯韦关于地面上双程光路实验不可能检测到（v／c）2这样微小的效应的这段话，引起了托德的年青同事迈克耳孙（A．A．Michelson，1852—1931）的强烈兴趣，决心实现麦克斯韦提出的通过二阶效应来测定以太漂移速度的想法。

迈克耳孙1852年12月19日出生于德国，四岁时就随父母移居美国。1873年以优异成绩毕业于美国海军军官学校，被聘为该校理化教官，并开始从事光速测定的研究工作。1878年他改进了傅科测光速的方法获得了良好的结果，因而被调入美国航海年历局从事光速测量工作。1880年到1882年，他赴柏林、海德堡、巴黎等地进修深造。在亥姆霍兹实验室工作期间，发明了后来以他的姓氏命名的干涉仪，并于1881年春天，进行了以太漂移的第一次观测。

实验的原理是这样的：如果地球穿行于静止以太中，按照经典速度合成法则，在地球上沿不同方向发射的光相对于地球将有不同的速度。将这些光叠加起来，就会产生干涉条纹；改变光的方向，干涉条纹也将移动。按照当时迈克耳孙的计算，在将干涉仪整个转过90 ，使它的两臂先后交替地平行和垂直于地球运动的方向时，预期干涉条纹将可移动0.08个条纹，这是这台仪器完全可以测出来的。但结果却出乎意料，只看到比预期值小得多的不规则移动。迈克耳孙由此作出结论说：“对这些结果的解释是：干涉条纹并未发生移动；所以，静止以太的假设是不正确的。”

这是第一次对二阶效应给出的明确结果，但由于实验数据比较粗糙，没有引起多少注意。在回到美国俄亥俄州担任克利夫兰应用科学院物理学教授之后，迈克耳孙又同他的朋友莫雷（E．W．Morley，1838－1923）合作，于1886年重复了菲索1851年的实验，更为精确地验证了菲涅耳的曳引系数。同年，物理学家洛伦兹发表文章，提出了一种把菲涅耳和斯托克斯两种以太理论揉合起来的新模型。他设想，在高空，以太的速度有类似斯托克斯所言的逐层分布，而在地球表面处，以太只部分地被拖曳。这就既与迈克耳孙和莫雷新近得到的曳引系数相一致，又可减小“静止以太”模型所预期的以太漂移，以接近迈克耳孙1881年干涉实验的误差量级。他还指出，迈克耳孙1881年的论文里对垂直于地球速度一臂的光程计算中，忽略了地球移动的影响。若考虑这种影响，干涉条纹只移动

0.04个条纹；如果以太只是部分地被拖曳，这个值还要减小一大半，那就可能淹没在误差范围内观测不出了。

英国物理学家瑞利（W．S．Rayleigh, 1842—1919）勋爵在看到洛伦兹的文章后，写信给迈克耳孙鼓励他重做这个实验。迈克耳孙回信说：“你的来信再次燃起了我的热情，并促使我立即开始这项工作。”迈克耳孙和莫雷对原来的实验做了重要的改进：考虑了地球的运动对垂直臂光线路径的影响；经过来回八次反射，使一臂的光路长度从原来的1．2米增加到11米；将整个装置浮架在水银池中，既避免了机械扰动，又易于旋转。于是，实验的精确度大为提高，预计可望达到0.4个条纹的移动。

1887年7月，他们完成了测量工作，结果发现：“实际观测到的（干涉条纹的）位移肯定小于预期值的二十分之一，或许还小于四十分之一。由于这个位移与速度的平方成正比，地球相对于以太的速度也许小于地球轨道运动速度的六分之一，肯定小于四分之一”。这就是历史上著名的以太漂移实验的“零结果”。从那以后许多人都不断提高精确度运用这种类型的实验，去探测地球相对于以太的速度，都得到否定的结果。运用现代的激光技术，测量到“以太漂移”的速度上限约为1km／s，最新的不同实验测得的这一上限达到1m／s的数量级。这一结果使菲涅耳和洛伦兹的理论都受到巨大的冲击。迈克耳孙对这个结果感到十分失望，原来打算在不同季节继续实验的想法也取消了。后来他就用这套仪器转向长度的精密测量工作，特别是进行了用原子光谱线的波长定义长度单位米的工作。

意义和影响

应该指出，在相对论理论变得广为人知之前，不仅迈克耳孙本人，而且科学界也不很重视迈克耳孙和莫雷所做的以太漂移实验。事实上，1907年迈克耳孙是由于发明了“光学精密仪器以及他用这些精密仪器进行的精确计量和光谱学的研究工作”而获得诺贝尔奖的。在瑞典皇家科学院的授奖致词和迈克耳孙的获奖演讲中，都没提到这个实验。

必须注意的是，在爱因斯坦创立狭义相对论之前，人们对布莱德雷到迈克耳孙的一系列实验所作的讨论与论证，都是以经典力学的速度合成法则为基础的。若采用狭义相对论中光速在不同惯性系中保持不变的原理，迈克耳孙-莫雷实验

的零结果就自然地得到解释；运用狭义相对论的速度合成公式去计算运动介质中的光速，在低速运动的近似下，也能得出含有相同曳引系数的菲涅耳公式，而无需构造任何具体的以太模型。菲索关于流水中光速的实验结果也可由相对论原理作出解释。这个例子生动地表明，同一个实验结果，却可以先后为互相对立的两个理论提供同样有力的支持。