迈克尔逊莫雷实验把光源换了会怎样

迈克尔逊莫雷实验与同时的相对性之间忽略的关系

迈克尔逊一莫雷实验证明了地球参照系的运动对光速没有影响，证明了相对性原理的成立，我们不能用光速验证参考系的运动与否，参考系的运动对光速没有影响。

同时的相对性 假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁.车下的观察者则不以为然.他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁.【1】

通常我们说迈克尔逊一莫雷实验证明了光速不变原理，由光速不变原理又得出同时的相对性，那么同时的相对性与迈克尔逊一莫雷实验应是相容的。真的是这样吗？ 首先，光速不变可以由两个不同的原理得出，1是麦克斯韦方程组联解得出光速不变，即c^2=1/(εμ)，光波的速度由真空介电常数与磁导率决定；2是相对性原理的成立说明光速不变。

同时的相对性中火车上的观察者得出光速不变用的是相对性原理中的光速不变。迈克尔逊莫雷实验得出光速不变用的也是相对性原理中的光速不变。与迈克尔逊莫雷实验对比，火车就相当于地球，车上的观察者就是地球上的观察者，因此，地球上的观察者会得出，

光速不变，不会产生干涉现象。而我们通常认为这个不会产生干涉现象与观察者的位置无关，与观察者是否运动无关，例如在月球上的观察者也会得出光速不变，不会产生干涉现象。

假设这个结论正确，那么我们用同时的相对性的观点，我们会得出什么？根据同时的相对性的观点，那么月球上的观察者就相当与同时相对性实验中地面上的观察者，那么在月球上的观察者看来，光就不是同时到达的，就会产生干涉现象。那么如果在月球上的观察者得出产生干涉现象，是不是说迈克尔逊莫雷实验就验证了光速是可变的？我们之所以得出这样的结论是因为，月球上的观察者用的是麦克斯韦方程组得出光速不变。就是说相对性原理现象说明的光速不变，对于所有的观察者来说都是根据相对性原理得出光速不变，而不是不同的观察者对于相对性原理得出的光速不变可以变成是根据麦克斯韦方程组得出光速不变现象。就是说在同时的相对性中，地面上的观察者看来，光速符合相对性原理，光速是符合相对性原理的光速不变，光是同时到达火车前后壁的。

所以同时的相对性与迈克尔逊莫雷实验是矛盾的，不相容的。

参考文献：【1】《同时的相对性》宝坻教研网【2】天涯论坛《摆的等时性与同时的相对性》同时的相对性》【8】《狭义相对论讲义之时间的相对性》【9】《狭义相对论讲义之光速不

变》【10】《歪解光速不变原理》【11】《真空中的光速对任何观察者来说都是相同的如何理解》吴兴广【12】《光速不变原理理论的另一种推导》

2021年11月23日7:28:19吴兴广

现在的我们都知道，光具有“波粒二象性”，也就是说光同时具备“波”和“粒子”的双重性质，然而光的“波粒二象性”是在20世纪初才被发现的，而在此之前，人们一直在为光到底是“波”还是“粒子”争论不休。

进入19世纪之后，“波动说”逐渐在这场争论中占据上风，越来越多的人相信，光其实就是一种“波”，根据当时的认知，“波”的传播是必须需要介质的，比如说声波需要在空气中传播，水波需要在水中传播，所以光作为一种“波”，也必然会通过一种介质来传播。

于是人们就将这种介质称为“以太”，根据设想，“以太”在宇宙中无处不在，所有的物质都在“以太”中运动，而光也是通过“以太”来传播。

到了19世纪后半叶，“以太”这种概念早已深入人心，几乎所有的人都相信“以太”必定存在，然而从科学的角度来看，只是“相信”是没有什么说服力的，于是在1881年的时候，物理学家迈克尔逊设计了一个巧妙的实验，并试图以此来证明“以太”的存在。

迈克尔逊认为，地球围绕太阳公转，其实就是在“以太”中穿行，在这种情况下，地球就会遇到与地球公转速度相等的“以太风”迎面吹来，而由于“以太”是光传播的介质，因此在“以太风”的影响下，在地球上向不同方向发射的光的速度就会存在着一定的差异。

根据这一思路，迈克尔逊设计了一台干涉仪，如上图所示，该干涉仪由一个光源（S）、一个分光镜（A）、两个反射镜（B和C）以及一个观测屏（T）组成，当它运行起来，就是以下这种效果。

可以看到，光从光源出发后，在经过分光镜时，会分成两束相互垂直的光，接下来，这两束光在走过完全相同的距离之后，会分别由反射镜B和C反射回来，然后经过分光镜投射到观测屏，这样就可以观测到这两束光的干涉条纹了。

迈克尔逊认为，由于这两束光相互垂直，它们相对于“以太”的速度肯定是不一样的，因此如果将干涉仪整体旋转90度，就可以让这两束光的速度“互换”，从而使原来的干涉条纹发生位移，只要在实验中发现了这种现象，就可以证明“以太”的存在。

（图为迈克尔逊干涉仪复原模型）

然而迈克尔逊的实验却失败了，无论他怎么捣鼓这台干涉仪，都没有发现期待中的现象。

实验的失败，是不是因为干涉仪的精度不够呢？于是在接下来的大约6年的时间里，迈克尔逊和另一位物理学家爱德华·莫雷一起设计了一个精度更高的干涉仪（相比最初的那一台，其精度整整提高了10倍），并于1887年进行了著名的“迈克尔逊-莫雷实验”。

“遗憾”的是，此次经过长时间精心准备的实验依然以失败告终，这就意味着，光速在不同惯性系以及不同方向上都是相同的，而人们之前所坚信的“以太”，很可能并不存在。

“迈克尔逊-莫雷实验”的实验结果令当时的科学界大为震动，人们在不同的地点和时间进行了大量的重复实验，精度也在不断提升，然而都得到了相同的实验结果。在此之后，虽然人们在“以太”的基础上对此提出了多种解释，但是都不足以令人信服。

爱因斯坦在1905年指出，既然光速在不同惯性系以及不同方向上都是相同的，那么“以太”就没理由存在，于是他就在以“光速不变原理”为基本假设的基础上，建立了著名的狭义相对论，从此开启了物理学的新篇章。

1907年，迈克尔逊获得了诺贝尔物理学奖，他获奖的主要原因就是“迈克尔逊-莫雷实验”，而这个实验也成为了科学史上的唯一一个，因为“失败”而获得诺贝尔物理学奖的实验。

上回我们说到，物理学家们为了让电磁学和牛顿力学显得融洽一些，就将老以太搬了出来，说光在以太中传播，甚至给光起了个名字叫以太波。还说光速每秒30万公里，是相对于以太的速度。

虽然假设出来的以太很好用，但是这次以太想堂堂正正地走进科学的殿堂，就需要严格的实验验证。

那么怎么验？原理很简单，如果以太真的存在，且静止不动，光以以太为媒介传播，那么当我们的实验设备和以太有一个相对速度的话，应该测得的光速不同。

比如，现在有一个光源发出了一束光线，这束光以以太为媒介传播，速度为C，现在我们也相对于以太运动，速度为V，如果朝向光源运动，测得的光速就是C+v，远离光源运动测得的光速就是c-v。

也就是说，测量出来的光速满足伽利略变化。

再比如，我们向河流中扔了一块石头，产生了波纹，由于河流的流动就导致了，朝向上游方向的水波速度变慢，朝向下游方向的水波速度变快。

所以说，如果光真的以以太为媒介传播，那么我们相对于以太的运动，就会造成测量的光速出现差异。

但问题是，光速测量非常困难，对光速的测量总是存在误差，而且光速非常快，大约每秒30万公里，如果我们相对于以太运动的速度很小的话，那根本测不出任何差异。

不过，美国的实验物理学家迈克尔逊，还是设计出了一个非常巧妙的实验，利用了地球在以太中运动的速度，来测量对光速的影响。

我们知道地球不仅在自转，还在绕着太阳公转，大约每秒30公里，地球在以太中运动的时候，就像是飞机在静止的空气中飞行一样，迎面会吹来强烈的“以太风”。

这样就会对光速造成每秒30公里的差异，但是这个差异只有光速的万分之一，直接对光速测量依旧很难达到这样的精度。提高我们相对于以太的速度是不可能了，地球的公转已经是我们能利用得最快速度了。

那么怎么办？迈克尔逊想到了一个绝妙的办法，不直接测量光速变化，而是通过检测光速变化，在干涉仪上造成的干涉条纹的移动，来确认地球的运动有没有影响到光速。

所以迈克尔逊就设计出了这样一个实验设备，它由两个互相垂直的悬臂，光源，半透镜和干涉仪组成。

光源产生光线，射向分光镜，分光镜会把光线分成垂直和水平的两束光线，再由全反射镜反射回来，进入干涉仪产生干涉图样，

这里需要注意的是，光在竖直和水平方向上的走过的路程是一样的，如果光速没有变化，那两束光就会同时达到干涉仪，干涉仪就能够检测出两束光干涉以后的波长。

如果某条悬臂上的光速出现变化，那么两束光就不再同步达到干涉仪，那么干涉条纹就会发生移动。

1881年迈克尔逊首次进行了检测以太的实验，按照最初的设想，地球绕着太阳在以太中运动，只要转动干涉仪的角度，那么以太就不会对其中一条悬臂上的光速产生影响，因为两条悬臂是垂直的。

而且按照地球在以太中运动的速度，估计出在干涉仪中检测到光的波长应该会出现0.04倍波长的变化。

经过重复多次的实验，可是结果显示，干涉以后光的波长没有发生任何变化，其间地球的公转方向已经明显发生了变化。

这次实验的失败，没有检测到地球相对于以太的运动，并没有被人们认可，很多人说，你这干涉仪太小了，两个悬臂只有1.2米，光速那么快，都不够光跑的，你这实验精度不够，因此检测不到以太。

迈克尔逊也认为以太肯定存在，自己没有检测到，是因为干涉仪太小，要建造更大的干涉仪，自己能力有限，于是就找到了爱德华·莫雷，这位建造实验设备的行家。

他俩做出来的新干涉仪悬臂达到了12米，而且为了消除振动对实验造成的误差，他俩还把干涉仪放在了水泥台上，水泥台下面是灌满水银的水槽。

这次的实验射设备可以说非常完美，精度比原来提高了10倍，可以检测到0.01倍的波长变化，而他们估计以太的存在会在此设备上造成0.4倍的波长变化，精度完全绰绰有余。

他们相信这次肯定能测出来地球在以太中运动，计划实验要进行大半年的时间，因为地球有近日点和远日点，公转速度不一样。

理想很丰满，现实却很残酷，这么完美的设备依然检测不到波长变化。

图中的虚线是他们预估出来的波长变化，而他们在1887年测量出来的结果，也就是图中的实线，可以认为是0，毫无变化。

所以实验只做了短短的数天，他俩就对实验结果写了一篇论文《论地球相对于以太的运动》，发表在了《美国科学期刊》上。

实验的0结果，让整个 科学界一片哗然，无法接受，这个结果说明了，要么是牛顿错了，要么是麦克斯韦错了，必须二选一。

可当时人们既想要麦克斯韦，又舍不得牛顿，所以在苦苦挣扎的痛苦当中又开始找补，说干涉仪的悬臂在以太中运动的时候，受到了以太风的压力，变短了，正好给抵消了光速的变化。

这个说法非常的讨厌，因为你无法测量悬臂是不是真的变短了，当你测量的时候，你的尺子也会相应的变短，所以测出来的结果是没有变短。因此这种说法无法被证伪。凡是无法被证伪的理论，都算不上科学，只能算是抬杠。

在面对这种二选一的困境时，能够做出突破的一般都是那些初出茅庐的年轻人，他们没有那么多的顾虑，俗话说，乱拳打死老师傅，这位不按套路出牌的人就是瑞士伯尔尼专利局的一位三级技术员，他叫爱因斯坦。

这是我们下节课的内容。

最后，我们说下迈克尔逊-莫雷实验能不能直接证明光速恒定？

先说结论，这个实验并不能证明光速恒定，它只是证伪了以太理论。因为迈克尔逊-莫雷实验的前提是，假设以太这个静止的参考系存在，会对光速造成差异，而实验结果没有检测到光速变化，只是证伪了这个前提假设，证伪了所有光媒介静止参考系的存在。

而实验中出现的光速不变，可以用很多乱七八糟的理论去解释，比如你说光传播可能存在其他介质，这个介质并不是静止的，地球在运动的时候会和这种介质发生相互作用，导致了我们检测到的光速没有变化，迈克尔逊莫雷实验并不能都证伪你的这个理论，所以它并不能直接确切的证明光速恒定不变。

而且更为重要的是，任何实验都不能证明什么，只能证伪某些假设是错误的，或者是验证某些理论暂时是正确的。

比如你说了一句，天下乌鸦一般黑这个理论，然后你就开始全球去实地考察你的理论，你发现，你看到的乌鸦都是黑的，这能证明你的理论是正确的吗？

并不能，因为你无法保证这个世界上在某个地方没有白乌鸦，或者说以后不会出现白乌鸦，因此你的实验只是验证了你的理论暂时性是正确的。

并不是证明，你的理论就是完全正确的。

如果有一天，某人抓了一只乌鸦发现是白色的，那么这就证伪了你的理论是错误的。所以说，实验本身并不是证明什么，只能验证和证伪某些东西。

好了，今天就说到这里。