迈克耳逊－莫雷实验

发布时间：2016-05-22 22:17

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迈克耳逊－莫雷实验：一种用迈克尔逊干涉仪测量两垂直力一向上光速差值的实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同力一向上都是相同的。由此确定了光速不变原理，促进了相对论的建立。

迈克耳逊－莫雷实验是为了观测“以太风”是否存在而作的一个实验，是在1887年由迈克耳逊与莫雷合作，在美国的克利夫兰进行的。

迈克耳逊－莫雷实验 - 人物

迈克尔逊

（1852～1931年）美国物理学家。他创造的迈克耳逊干涉仪对光学和近代物理学是一巨大的贡献。它不但可用来测定微小长度、折射率和光波波长等，也是现代光学仪器如傅立叶光谱仪等仪器的重要组成部分。他与美国化学家莫雷（1838～1923年）在1887年利用这种干涉仪，作了著名的“迈克耳逊—莫雷实验，这一实验结果否定了以太的存在，从而奠定了相对论的实验基础。1926年用多面旋镜法比较精密地测定了光的速度。

莫雷

 

(1838—1923)，美国化学家和物理学家，他热爱精密测量，同阿尔伯特·迈克耳孙共同进行的著名的迈克耳孙莫雷实验未能找到光在其中传播的‘以太’存在的任何证据.从而否定了以太的存在，为爱因斯坦的狭义相对论的提出建立了一定的基础。

 

迈克耳逊－莫雷实验 - 概述

当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。迈克耳逊－莫雷实验就是在这个基础上进行的。

实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。当时迈克耳逊因此认为这个结果表明以太是随着地球运动的。

过程

迈克耳逊－莫雷实验

实验装置如又图所示，整个装置可绕垂直于竖直轴转动，P是半镀银镜，M1和M2是两反射镜，互相垂直，PM1＝PM2固定不变。从光源S发出的光经P分为两束，再经M1、M2反射后到达目镜T处。这两束光是相干光。假设地球相对于以太沿PM2运行，那么光经PM2来回的时间要长，这两束光在O点相遇时有一定的相位差，因此从T处应该看到这两束光的干涉条纹。
他把仪器装在十分平稳的大理石上，并让大理石漂浮在水银槽上，可以平稳地转动。他设想：如果让仪器转动900，光通过OM1、OM2的时间差应改变，干涉条纹要发生移动，从实验中测出条纹移动的距离，就可以求出地球相对以太的运动速度，从而证实以太的存在。

然而，出乎意料的是，从实验中并没有看到条纹的移动。看来地球的移动对光速并没有影响，即光在地面上沿任何方向传播的速度都相同。

 

实验结果的解释

（GeorgeFitzGerald）在1892年对迈克耳逊－莫雷实验提出了一种解释。他指出如果物质是由带电荷的粒子组成，一根相对于以太静止的量杆的长度，将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定，而量杆相对于以太在运动时，量杆就会缩短，因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变这些粒子之间的间隔平衡。这一来，迈克耳逊－莫雷实验所使用的仪器，当它指向地球运动的方向时就会缩短，而缩短的程度正好抵消光速的减慢。

有些人曾经试行测量菲茨杰拉德的缩短值，但都没有成功。这类实验表明菲茨杰拉德的缩短，在一个运动体系内是不能被处在这个运动体系内的观察者测量到的，所以他们无法判断他们体系内的绝对速度，光学的定律和各种电磁现象是不受绝对速度的影响的。再者，动系中的短缩，乃是所有物体皆短缩，而动系中的人，是无法测量到自己短缩值的。

1904年，荷兰物理学家洛仑兹提出了着名的洛仑兹变换，用于解释迈克尔逊-莫雷实验的结果。根据他的设想，观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩，抵消了不同方向上由于以太所造成的光速差异，这样洛仑兹就在不抛弃以太概念的前提下解释了迈克尔逊-莫雷实验的结果。

1905年，爱因斯坦在抛弃以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。结合狭义相对性原理和上述时空的性质,也可以推导出洛仑兹变换。

里茨在1908年设想光速是依赖于光源的速度的，企图以此解释迈克耳逊－莫雷实验。但是德·希特于1931年在莱顿大学指出，如果是这样的话，那末一对相互环绕运动的星体将会出现表观上的异常运动，而这种现象并没有观察到。由此也证明了爱因斯坦提出的光速和不受光源速度和观察者的影响是正确的，而且既然没有一种静止的以太传播光波振动，牛顿关于光速可以增加的看法就必须抛弃。

有人认为，爱因斯坦在提出狭义相对论的过程中，曾经受到过迈克耳逊－莫雷实验结果的影响。John.Stachel在《爱因斯坦和以太漂移实验》一文中指出，有间接的有力证据表明，爱因斯坦在1889年一定知道迈克耳逊－莫雷实验，并从1889～1901年间，持续感兴趣于设计光学实验,以检查地球穿行于以太的假定运动。

爱因斯坦在1922年，在《我是怎样创造了相对论》中说道:「那时我想用某种方法演示地球相对以太的运动……，在给自己提出这一问题时，，我没有怀疑过以太的存在和地球的运动。于是，我预料如果把光源发出的光线用镜子反射，则当它的传播方向是平行或反平行于地球的运动方向时，应该具有不同的能量。所以我提出使用两个热电偶，利用测量它们所生热量的差值,来证实这一点。

迈克耳逊－莫雷实验 - 实验结果的再验证

1893年洛奇在伦敦发现，光通过两块快速转动的巨大钢盘时，速度并不改变，表明钢盘并不把以太带着转。对恒星光行差的观测也显示以太并不随着地球转动。

人们在不同地点、不同时间多次重复了迈克耳逊－莫雷实验，并且应用各种手段对实验结果进行验证，精度不断提高。除光学方法外，还有使用其他技术进行的类似实验。如1958年利用微波激射所做的实验得到地球相对以太的速度上限是3×10-2km/s，1970年利用穆斯堡尔效应所做的实验得到此速度的上限只有5×10-5km/s。综合各种实验结果，人们基本可以判定地球不存在相对以太的运动。

迈克耳逊－莫雷实验 - 参考文献

《大学物理》 吴百诗 高等教育出版社

《现代物理知识》 郁忠强  科学出版社出版

《物理实验》 孙景春 物理实验杂志社

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本文编号：48440