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。