小小实验击破旧理论

19世纪流行着一种“以太”学说，它是随着光的波动理论发展起来的。

以太观念的提出可以追溯到古希腊时代。亚里士多德认为天体间一定充满有某种介质。在笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中就引用了以太的观念。他认为“虚空”是不可能存在的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物质——以太。由于太阳周围以太出现漩涡，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动。但是后来由于光的微粒说压倒了波动说，以太理论受到压抑。1800年以后，由于托马斯·杨和菲涅耳的波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，使波动说重新占了上风。在波动说的支持者看来，光既然是一种波，就一定要靠介质才能传播。光能通过万籁俱寂的虚空，必然有一种介质充满其间，这就是以太。他们把以太看成是无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性介质。

当时，许多物理学家们相信“以太”的存在，把这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系，因此地球相对于以太应该运动。然而许多人做了有关的实验，却无法证实这种情况，而迈克耳孙-莫雷实验却明确地得到了否定的答案。

（图1-5）迈克耳孙

1879年3月，麦克斯韦曾给美国航海年历局的局长托德写信，讨论测定地球相对于以太的速度问题。信中谈到，由于测量精度的限制，直到目前为止，地球上所有测量光速的方法，都检验不出地球的这种绝对运动。这封信恰好被在那里工作的年轻人迈克耳孙（图1-5）看到，导致他毕生从事光速测量的工作。他首先改进了以前的测光速的方法，利用凹面镜和透镜把光路延长到600米，获得了当时光速测定的最新记录。1881年，他研制出一种干涉仪，现在称迈克耳孙干涉仪，他利用这个干涉仪从光的干涉的方法测量地球相对于以太的运动，结果是否定的。然而这次实验由于测量精度不够，未能被物理学界所接受。

（图1-6）莫雷

1884年，两位英国著名物理学家开尔文和瑞利访问美国时，鼓励迈克耳孙提高精度，重新作这个实验。于是迈克耳孙与莫雷（图1-6）合作，改进了实验装置，把测量精度提高到25×I0-10，即一百亿分之二点五。然而他们反复进行测量，仍然得到的是否定的结果。对于迈克耳孙和莫雷来说，得到否定的结果是扫兴的。但这个否定的结果是可靠的，因此引起了物理学界的极大关注。因为这个否定的实验结果，揭示了现有理论的矛盾，宣布了以太旧理论的破产。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。

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瑞利

英国物理学家瑞利生于埃塞克斯的威特姆，他在理论和实验方面都有杰出才能，研究工作几乎遍及当时经典物理学的各个领域。他首次精确测定了气体密度，1895年发现从液态空气中分馏出来的氮，与从亚硝酸铵中分离出来的氮，有极小的密度差异。这一事实导致空气中的一个稀有元素——氩的发现，因而获得1904年诺贝尔物理学奖。他在1900年得出一个关于热辐射的公式，在长波区域，同实验符合得很好，为量子论的出现准备了条件。