万有引力本质_同时性的相对性_科学网正确理解迈克尔逊莫雷实验中的光学问题

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   理解迈克尔逊莫雷实验（MMX）中的光学干涉现象所需要的物理知识并不复杂，只需要读者具备几何光学和杨氏干涉的知识，加上细致考虑各种影响光线传播的因素，就可以获得正确答案。
   MMX是由近似重合的两束光在观察屏产生干涉的光学现象，条纹的变化由两束光的光程差决定，对于用于实验的可见光红光，一个波长（600-700nm）的光程变化就会导致一个条纹的移动，因此两束光的光路的微小变化，应与干涉条纹移动高度敏感的。在这个实验中，可能导致光路变化，即使是非常细微的因素，都必须认真考虑，更不能对光路作理想化的简化处理，否则分析结果会出现巨大偏差。
  下面的MMX干涉光路图是来自于教材，用于光学原理分析。

                     图1 MMX光学干涉原理图

   这是一个非常理想化的简化模型，其基本过程是：入射光经分光片后，成为两束相互垂直的光束，再经反射镜垂直反射沿原光路返回到达S，两束光重合传播到达观察点O产生干涉。这种情况只有当光的传播介质相对于实验系统静止u=0时，才可能成立。当介质的运动速度u不为0并与入射光方向平行时，光的传播会受到运动介质的影响，正确的O点干涉光路图应该如图2所示。

                  图2 运动介质对MMX干涉光路的影响

   垂直于介质运动方向的光束，会发生改变，如图2中的红线所示，经反射镜B反射后，不会返回到S，而是有微小变化的S'位置。因此计算垂直光束的光程时，应按图2中的红线光路进行，才能得到正确的结果。由于MMX干涉实验对于光程是十分敏感的（检测的是0.4条纹移动，4/10波长），SS'的微小差异都可能导致这种结果，因此SS'应作为必须考虑的因素反映到光程差的计算之中，这样MMX光程差公式就会十分复杂，但是必须的。
   很显然，由图2得出的MMX条纹移动数与按图1的简化模型给出的结果，肯定是不同。由于图1忽略了影响条纹移动的重要因素SS'，因此，由图1给出的结论是不完整、不正确的。由此进一步得出的洛仑兹收缩（或变换）就没有依据，更不能作为光速不变假设的实验证明依据。
   图3是引自百度百科中MMX的光路图，这个光路存在一个明显的错误，如果经分光镜分光，按图所示的光路传播是违背基本的几何光学原理和定律的。因为要保证垂直方向上光在运动介质(速度u=v)中，回到S点，半反分光镜M的角度（与运动方向的夹角）必须大于45度，光路与上方反射镜不是垂直关系，不满足所列的数学公式（速度直角三角形勾股定律）的描述。此时另一束向M1传播的光就不会与运动方向平行，经反射后也不会与S重合，因此由此图得出的光程公式是不正确的。

      图3 MMX干涉原理（来源：百度百科）

   图4是来自由Wiki百科的MMX光路图，该图给出了运动介质对光路影响的一种情况，但也存在错误。

                      图4 来自Wiki的MMX光路图

   主要是经分光反射后，两束光会成一束到达检测器的分析，是对MMX实验全过程不适用的。因为，前面提到的SS'位置差始终是存在的，即使我们在实验中调整出现了上图所示的近似重合情况，当我们转动MMX装置，介质运动的方向与装置要发生改变，近似重合的关系就会打破，SS’就会由小变大，再变小。
   因此，正确的做法是严格按照几何光学的定律，画出运动介质影响下实际光路图，再根据光路计算光程，才能得出正确的条纹移动数，当然针对实际情况光程差的表达式会十分复杂。
   目前，在MMX分析中作了过份理想化的处理，忽略了两束相干光的光路变化影响的重要因素，简单地将干涉理解为最终会聚为两束重合光产生干涉，这是完全错误的。
   通过上面的分析，虽然没有给出MMX精确的条纹数公式，，但我们至少可以得出，严格意义上的洛仑兹收缩是不成立的，狭义相对论光速不变的假设，是不能通过MMX的实验来证实的。因为迈克尔逊根据图1的光路进行光程差计算，而图1的光路是不符合基本的光学定律的。
   

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