相对性原理是经典力学的一个最基本的原理。这个原理认为,绝对静止和绝对匀速的运动都是不存在的。一切可测量的、因而也是有物理意义的运动都是相对于某一参照物的相对运动。如果假定光速是以固定的速度传播,人们就必须说清这固定的速度是相对于何物测量的。在麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后,科学家在解释麦克斯韦方程中光速“持久不变”时,认为该方程式适用于某个“绝对空间”。它是整个宇宙的基本参照系。根据这一观点,空间自身界定了参照系——绝对空间。事物应该对照它来测量。于是,电磁波的载体“以太”就成为物化的绝对空间,因为它是传导电磁波通过空间所必需的。静止宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。正如声波在空气中传播一样,光波应该通过以太传播,而它对于以太的速度是不变的。所以,光速应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者,应看到光以不同的速度冲他们而来。
迈克尔逊(Albert Michelson)在莫雷(W.Morley)帮助下设计了一套巧妙的仪器(后人称之为迈克尔逊干涉仪)。它可被用来测量地球相对于以太的运动速度。他们利用这个干涉仪,将一束光线分解成两部分:一束光沿着地球运动的方向前进,然后用一面镜子把它反射回来;另一束光在与地球轨道成直角的方向上来回传播。期望发现这两个行程是不同的。他们设想:地球相对于静止的以太以速度v运动,也就是以太相对于地球以速度v运动;从同一光源发出两束光,且一束光与地球的运动方向一致,而另一束光与前者的运动方向垂直。两束光在相同的距离D之内来回传播,故实际上两束光都走了2D的距离。前一束光由于与地球的运动方向一致,光线发出去时的速度为c+v,反射回来时的速度为c-v。这样,来回的时间为:
后一束光是垂直于地球运动方向的,所以它的实际速度为
2D距离来回的时间为:
比较t 1与t 2,可以发现:
但是,实际的实验结果是:两束光同时到达同一点。无论光线向什么方向传播,光的速度永远等于c。不管迈克尔逊和莫雷怎样改进仪器,反复测量,怎么也找不到“以太风”,即地球在以太中的漂移速度等于零。人们观察不到地面上的绝对运动。于是,迈克尔逊当时认为,以太漂移获得零结果表明自己的实验是“失败”的。这实际是科学史上最成功的一次“失败”。
“以太漂移”实验的零结果,在19世纪后半叶到20世纪初,引起了物理学界的重视。后来洛伦兹(H.A.Lorentz)和菲茨杰拉德(G. Fitzgerald)提出了物体“收缩”和钟“变慢”的机制来克服迈克尔逊—莫雷实验所带来的困难,但未能自圆其说。物理学家开尔文当时无可奈何地承认:“恐怕我们仍然必须把这一朵乌云看作非常浓密的。”
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