迈克尔逊实验

我们先来讲第一朵乌云，也就是迈克尔逊的以太漂移实验。

什么是“以太”呢？以太是一个古老的概念，在古希腊人那里，指的是天界的“第五元素”，随着科学革命打破了希腊人的元素理论和天地二分的观念，“以太”这一概念也随之淡出了，而这个词在19世纪随着光的波动说的复兴而被重新引入物理学。

与牛顿同时期的胡克和惠更斯等人就主张光是一种波，而牛顿认为光是由微粒构成的，由于牛顿的威望，以及微粒说的确能够更好地解释光的直线传播等现象，微粒说一度成为主流。但到了1801年，托马斯·杨进行了著名的“杨氏双缝实验”，发现了光的干涉现象（图15.3.1、图15.3.2）。干涉现象是波动特有的现象，同源光通过两个小缝之后形成了两个光源，这两个光源有着相同的频率和相位差，那就会形成某些地方波峰与波峰叠加，有些地方波峰与波谷抵消，形成明亮相间的条纹，而不只是简单地把两束光叠加起来形成一个大光斑。

稍后菲涅尔复兴了惠更斯的学说，完善了光的波动说，从数学上给出了光的干涉、衍射、偏振等现象的精确解释，此后物理学家开始把光认作一种像水波那样的横波。

再后来，我们知道，麦克斯韦完善了电磁学理论，提出了电磁波的概念，并把光也认作一种电磁波。

图15.3.1　杨氏双缝干涉实验示意图

图15.3.2　杨氏双缝干涉图样

波动本身并不违背经典力学的世界观，水波、声波等都是早已为人熟知的波动现象。但在经典力学的视野下，波动总是某种介质中的波动，没有水就没有水波，没有空气或任何传递振动的介质声音就无法传播。但当时已经有实验表明电磁波在真空中也能传播，那么电磁波的传播介质又是什么呢？经典力学能够接受波动，但接受不了脱离介质的波动，因此物理学家们引入了“以太”的概念，认为光和电磁波都是在充斥在宇宙空间之中的“以太”中传播的。

根据光波的性质，科学家们推测以太的性质，比如它非常坚硬，但也非常稀薄，等等，但是谁也没有真的检测到以太本身的存在。然而科学家们对以太的存在仍然深信不疑，因为它是解释光的波动所必需的东西。这种情况在科学史上是常见的，例如科学家们在能够实际检测到原子之前就已经相信原子的存在，晚近的夸克、暗物质等也类似，虽然我们没有直接“看到”它们，但通过理论推测，我们对它们的存在深信不疑——因为如果它们不存在，某些已被公认的理论就要垮台。

在19世纪80年代，迈克尔逊开始尝试测量以太的影响。迈克尔逊是一个伟大的实验家，他一生致力于对光速的精密测定。

当时人们相信，以太是弥漫在宇宙空间中的静止的背景，地球和太阳都在宇宙空间中运动，因此相对以太而言是高速运动着的（图15.3.3）。既然如此，在地球上两个互相垂直的方向上，相对于以太的运动肯定是不一样的，迎着“以太风”的方向走，光速应该要慢一些。

于是迈克尔逊设计了这样的实验（图15.3.4），他让一束光透过一个偏振镜，一半透射另一半被反射，就形成了两个互相垂直的相干光源，这两束光在一定距离之后再反射回来，最终汇聚到屏幕上面。如果这两束光的速度有差异，那么在汇聚的时候就会形成相位差，因而会形成干涉条纹，如果速度一致，就是简单的叠加，不能形成干涉条纹。

实验的结果很简单，无论他怎么调整实验方式，都没有发现干涉条纹，之后他和同事莫雷合作（因此这一实验被称作迈克尔逊—莫雷实验），提高实验精度，但始终都是零结果。

从马后炮的视角来看，这个实验其实已经证明了光速不变，推论出相对论也是水到渠成的事情，但是当时并没有多少人认为这一实验证明了以太不存在。科学史上所谓的判决性实验往往都是马后炮的，对一个实验结果总是有无数种解释，比如没有发现恒星周年视差可以解释为哥白尼理论的失败，也可以解释为恒星太过遥远；比如天王星轨道的异常可以解释为牛顿理论的失败，也可以解释为还有一颗尚未发现的行星在干扰。迈克尔逊实验可以解释为以太压根不存在，但也可以解释为某种尚未发现的效应。

当时的大多数物理学家也并没有因为迈克尔逊实验的零结果就放弃经典力学，而是以各种方式试图修补它。其中洛伦兹的方案十分高明，他提出物体在通过以太的时候，沿着运动方向的长度会发生收缩，时间也会随着运动而延缓，这样就得到了光速不变的结果，这种处理被称作洛伦兹变换，后来爱因斯坦从狭义相对论重新导出了它。洛伦兹变换在数学形式上与狭义相对论是吻合的，但仍然是从经典力学的角度构建的。

图15.3.3　太阳和地球相对于以太背景高速运动

图15.3.4　迈克尔逊—莫雷实验示意图