邁克爾遜-莫雷實驗,為什麼不能證明光速恆定?


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邁克爾遜-莫雷實驗,為什麼不能證明光速恆定?

上回我們說到,物理學家們為了讓電磁學和牛頓力學顯得融洽一些,就將老以太搬了出來,說光在以太中傳播,甚至給光起了個名字叫以太波。還說光速每秒30萬公里,是相對於以太的速度。

雖然假設出來的以太很好用,但是這次以太想堂堂正正地走進科學的殿堂,就需要嚴格的實驗驗證。

那麼怎麼驗?原理很簡單,如果以太真的存在,且靜止不動,光以以太為媒介傳播,那麼當我們的實驗設備和以太有一個相對速度的話,應該測得的光速不同。

比如,現在有一個光源發出了一束光線,這束光以以太為媒介傳播,速度為C,現在我們也相對於以太運動,速度為V,如果朝向光源運動,測得的光速就是C+v ,遠離光源運動測得的光速就是cv。

也就是說,測量出來的光速滿足伽利略變化。

再比如,我們向河流中扔了一塊石頭,產生了波紋,由於河流的流動就導致了,朝向上游方向的水波速度變慢,朝向下游方向的水波速度變快。

所以說,如果光真的以以太為媒介傳播,那麼我們相對於以太的運動,就會造成測量的光速出現差異。

但問題是,光速測量非常困難,對光速的測量總是存在誤差,而且光速非常快,大約每秒30萬公里,如果我們相對於以太運動的速度很小的話,那根本測不出任何差異。

不過,美國的實驗物理學家邁克爾遜,還是設計出了一個非常巧妙的實驗,利用了地球在以太中運動的速度,來測量對光速的影響。

我們知道地球不僅在自轉,還在繞著太陽公轉,大約每秒30公里,地球在以太中運動的時候,就像是飛機在靜止的空氣中飛行一樣,迎面會吹來強烈的“以太風” 。

這樣就會對光速造成每秒30公里的差異,但是這個差異只有光速的萬分之一,直接對光速測量依舊很難達到這樣的精度。提高我們相對於以太的速度是不可能了,地球的公轉已經是我們能利用得最快速度了。

那麼怎麼辦?邁克爾遜想到了一個絕妙的辦法,不直接測量光速變化,而是通過檢測光速變化,在干涉儀上造成的干涉條紋的移動,來確認地球的運動有沒有影響到光速。

所以邁克爾遜就設計出了這樣一個實驗設備,它由兩個互相垂直的懸臂,光源,半透鏡和乾涉儀組成。

光源產生光線,射向分光鏡,分光鏡會把光線分成垂直和水平的兩束光線,再由全反射鏡反射回來,進入乾涉儀產生干涉圖樣,

這裡需要注意的是,光在豎直和水平方向上的走過的路程是一樣的,如果光速沒有變化,那兩束光就會同時達到干涉儀,干涉儀就能夠檢測出兩束光干涉以後的波長。

如果某條懸臂上的光速出現變化,那麼兩束光就不再同步達到干涉儀,那麼干涉條紋就會發生移動。

1881年邁克爾遜首次進行了檢測以太的實驗,按照最初的設想,地球繞著太陽在以太中運動,只要轉動干涉儀的角度,那麼以太就不會對其中一條懸臂上的光速產生影響,因為兩條懸臂是垂直的。

而且按照地球在以太中運動的速度,估計出在干涉儀中檢測到光的波長應該會出現0.04倍波長的變化。

經過重複多次的實驗,可是結果顯示,干涉以後光的波長沒有發生任何變化,其間地球的公轉方向已經明顯發生了變化。

這次實驗的失敗,沒有檢測到地球相對於以太的運動,並沒有被人們認可,很多人說,你這干涉儀太小了,兩個懸臂只有1.2米,光速那麼快,都不夠光跑的,你這實驗精度不夠,因此檢測不到以太。

邁克爾遜也認為以太肯定存在,自己沒有檢測到,是因為乾涉儀太小,要建造更大的干涉儀,自己能力有限,於是就找到了愛德華·莫雷,這位建造實驗設備的行家。

他倆做出來的新干涉儀懸臂達到了12米,而且為了消除振動對實驗造成的誤差,他倆還把乾涉儀放在了水泥台上,水泥台下面是灌滿水銀的水槽。

這次的實驗射設備可以說非常完美,精度比原來提高了10倍,可以檢測到0.01倍的波長變化,而他們估計以太的存在會在此設備上造成0.4倍的波長變化,精度完全綽綽有餘。

他們相信這次肯定能測出來地球在以太中運動,計劃實驗要進行大半年的時間,因為地球有近日點和遠日點,公轉速度不一樣。

理想很豐滿,現實卻很殘酷,這麼完美的設備依然檢測不到波長變化。

圖中的虛線是他們預估出來的波長變化,而他們在1887年測量出來的結果,也就是圖中的實線,可以認為是0,毫無變化。

所以實驗只做了短短的數天,他倆就對實驗結果寫了一篇論文《論地球相對於以太的運動》,發表在了《美國科學期刊》上。

實驗的0結果,讓整個科學界一片嘩然,無法接受,這個結果說明了,要么是牛頓錯了,要么是麥克斯韋錯了,必須二選一。

可當時人們既想要麥克斯韋,又捨不得牛頓,所以在苦苦掙扎的痛苦當中又開始找補,說乾涉儀的懸臂在以太中運動的時候,受到了以太風的壓力,變短了,正好給抵消了光速的變化。

這個說法非常的討厭,因為你無法測量懸臂是不是真的變短了,當你測量的時候,你的尺子也會相應的變短,所以測出來的結果是沒有變短。因此這種說法無法被證偽。凡是無法被證偽的理論,都算不上科學,只能算是抬槓。

在面對這種二選一的困境時,能夠做出突破的一般都是那些初出茅廬的年輕人,他們沒有那麼多的顧慮,俗話說,亂拳打死老師傅,這位不按套路出牌的人就是瑞士伯爾尼專利局的一位三級技術員,他叫愛因斯坦。

這是我們下節課的內容。

最後,我們說下邁克爾遜-莫雷實驗能不能直接證明光速恆定?

先說結論,這個實驗並不能證明光速恆定,它只是證偽了以太理論。因為邁克爾遜-莫雷實驗的前提是,假設以太這個靜止的參考系存在,會對光速造成差異,而實驗結果沒有檢測到光速變化,只是證偽了這個前提假設,證偽了所有光媒介靜止參考系的存在。

而實驗中出現的光速不變,可以用很多亂七八糟的理論去解釋,比如你說光傳播可能存在其他介質,這個介質並不是靜止的,地球在運動的時候會和這種介質發生相互作用,導致了我們檢測到的光速沒有變化,邁克爾遜莫雷實驗並不能都證偽你的這個理論,所以它並不能直接確切的證明光速恆定不變。

而且更為重要的是,任何實驗都不能證明什麼,只能證偽某些假設是錯誤的,或者是驗證某些理論暫時是正確的。

比如你說了一句,天下烏鴉一般黑這個理論,然後你就開始全球去實地考察你的理論,你發現,你看到的烏鴉都是黑的,這能證明你的理論是正確的嗎?

並不能,因為你無法保證這個世界上在某個地方沒有白烏鴉,或者說以後不會出現白烏鴉,因此你的實驗只是驗證了你的理論暫時性是正確的。

並不是證明,你的理論就是完全正確的。

如果有一天,某人抓了一隻烏鴉發現是白色的,那麼這就證偽了你的理論是錯誤的。所以說,實驗本身並不是證明什麼,只能驗證和證偽某些東西。

好了,今天就說到這裡。