《相对论》解决了迈克尔逊实验显示的经典力学无法解释的问题

 

1．迈克尔逊实验的时代背景和目的

当初，人们认为光是在所谓“以太”，即：一种弥漫整个宇宙、还弄不清其性质、也无法实验证实其存在的，一种介质，中传播。

斐索(H.L.Fizeau)还根据实验结果，认为：运动物质的折射系数反映该物质带动“以太”牵引运动的程度。而大气(近乎真空)的折射系数几乎为1，就认为它不会显著地带动“以太”。

经典力学中，不同参考系间牵引合成运动是按伽利略公式表达的。

迈克尔逊又在前人的基础上，精确地测定了光速。就想要按伽利略公式，在大气中，利用地球绕太阳的运动，实际测定地球与“以太”的相对运动。

 

2，迈克尔逊实验的设计和结果

  为此，他设计了如下的一个实验，即：用半镀银的透明薄片，将光束分为彼此正交的两束，使其传播方向分别平行或正交于与地球相对“以太” 的运动方向，经不同的光程差反射折回发生干涉，而形成干涉条纹。

设两分光束各单程的长度为s，地球绕太阳相对“以太”参考系的运动速度为v，大气(近乎真空)中3维空间的光速为c，平行参考系运动方向的光束往返光路所需时间为t(1)，垂直参考系运动方向的光束往返光路所需时间为t(2)，则按通常经典力学的伽利略变换，有：

t(1)= s/(c-v)+ s/(c+v)= (2 s /c)/ (1-v^2/ c^2),

t(2)= 2( s^2+( vt)^2)^(1/2)/c= (2 s /c) / (1-v^2/ c^2)^(1/2) ,

两光束往返光路所需时间差为

t(2)- t(1)= (2 s /c)(1/ (1-v^2/ c^2)^(1/2)-1/ (1-v^2/ c^2)) ,

因v/c甚小，上式近似为t(2)- t(1)~ s (v/ c) ^2/c，

实验中，还使整个仪器旋转90度，使原来垂直与平行参考系运动方向的光束互换，这两次的时间差就成为2s (v/ c) ^2/c。这样，仪器旋转前后，干涉条纹将发生移动的条纹数应是n=2s (v/ c) ^2/(cT)= 2s (v/ c) ^2/L，其中T，L分别为所用光的周期和波长。

由他最后几次实验所用光束的波长(5.9乘10^(-5)cm)、所用反射的光程(2乘11m)、和地球绕日运行的速度(3乘10^6 m/s)估计，干涉条纹应移动0.4条。而实验的观测精度可达百分之一条，应完全观测到干涉条纹的移动。

但是，在不同季节，不同地理条件，进行的多次实验观测，却都看不出干涉条纹的移动。

 

3．迈克尔逊实验结果对经典物理学产生的震动

由迈克尔逊实验结果的以上分析可见，实验的计算是严格按照经典力学，并且已经计及光在往返两程传播方向的速度变化。因而，实验的结论只能是：伽利略公式与实验结果不符。“在惯性牵引运动系，真空中3维空间的光速不随参考系运动改变”！

这一实验结果，在当时，引起了很大的困惑。

 

4．狭义相对论才圆满地解决了这一问题。

洛仑兹仍用“以太”的观点，而提出所谓“长度收缩、时钟变慢”，以适应相应的观测结果。但仍有许多悖论，而不能自圆其说。

直到爱因斯坦(Einstein)的狭义相对论，采用4维时空的闵可夫斯基矢量，才圆满地解决了这一问题。

 

5．对狭义相对论的有关误解

    有人认为迈克尔逊实验中往返光束会彼此消去了光程差，才观测不到干涉条纹的移动；而要否定迈克尔逊实验提出了经典力学无法解释的问题，从而否定、批判《相对论》，就只是错误地理解迈克尔逊实验中光程差的具体计算，而产生的误解。

有人认为爱因斯坦提出的狭义相对论是错误地“假设”了“光速不变”原理，

而要以此否定、批驳相对论。

其实，一般而言，光速并非不变，在不同的介质中，光速就各不相同，因而有不同的折射率；在各向异性的介质中，不同方向的光速也不相同，因而才有所谓“双折射”。“光速不变”也不是假设，而是实验（著名的迈克尔逊实验）具体表明真空中光速的3维空间分量不随参考系的运动改变，正因如此，对于高速运动物体的位置须用4维时空的闵可夫斯基矢量表达，不同参考系间的变换应是洛仑兹变换。

显然，这里所说的“不变”，只是“光速的3维空间分量不随参考系的运动而改变。”、“真空中光速3维空间分量的模长是不变的常量”。

而对相对论的这种所谓“批驳”就显然只是对以上认识的严重误解。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自吴中祥科学网博客。
链接地址：https://m.sciencenet.cn/blog-226-233295.html

上一篇：关于 “数学”的对话（2）
下一篇：关于“数学”的对话（3）