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深度長(zhǎng)文:邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)真的是相對(duì)論誕生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)嗎?

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先說答案,兩者關(guān)系并不是太大,也就是說,愛因斯坦提出狹義相對(duì)論并不是因?yàn)檫~克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),而是其他原因。

我們經(jīng)常會(huì)聽到19世紀(jì)末物理學(xué)界“兩朵烏云”,其中“一朵”就是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),不少人甚至認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)直接催生了狹義相對(duì)論,實(shí)際上并非如此,這種說法太夸張了。

但從時(shí)間來看,邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)發(fā)生在1887年,而愛因斯坦是在1905年才提出了狹義相對(duì)論,足足晚了十多年,但這并不能說明什么。

首先我們來看看邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的背景,該實(shí)驗(yàn)背景與以太的概念緊緊聯(lián)系在一起,說白了只有一個(gè)目的:尋找以太存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

問題來了,什么是“以太”呢?

以太這個(gè)概念很早就被提出來了,最早由亞里士多德提出,不過當(dāng)時(shí)以太的概念與近現(xiàn)代物理學(xué)上以太的概念完全不同,當(dāng)時(shí)更多的氦只是哲學(xué)上的概念,完全不涉及物理學(xué)概念。更何況亞里士多德時(shí)代也根本沒有物理學(xué)。

亞里士多德認(rèn)為,世界萬物都是由四大元素和以太構(gòu)成的,第四元素分別是水火氣土,這與我國古代的五行概念本質(zhì)并沒有什么不同。四大元素是可見的,能被感知的,但是以太并不能被人類感知。

而笛卡爾第一個(gè)把以太的概念引入到物理學(xué),引入的原因是不理解力為什么是超距作用。到了近代,以太的概念越來越多地被提到,同時(shí)得到了惠更斯和胡可等科學(xué)家的支持,在兩人眼里,光就是一種波,而在人們的固有印象里,波的傳播一定需要介質(zhì)。

于是他們就有這樣的疑問:光的介質(zhì)是什么呢?他們認(rèn)為答案就是以太。

我們都知道牛頓一直認(rèn)為光就是粒子,雖然如此,牛頓本人其實(shí)也是支持以太概念的,不為別的,以太的概念對(duì)于牛頓來講太重要了。為什么?

因?yàn)?strong>牛頓力學(xué)體系的根基就是絕對(duì)時(shí)空觀,認(rèn)為宇宙中存在絕對(duì)靜止的參照系,而以太恰好符合這樣的特點(diǎn)。

之后托馬斯楊通過雙縫實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波,同時(shí)偉大的麥克斯韋提出的電磁理論,也認(rèn)為光就是電磁波,麥克斯韋也認(rèn)為電磁波在傳播的過程中是需要媒介的,這個(gè)媒介就是以太。

也就是說,牛頓和麥克斯韋等物理學(xué)界大佬,都認(rèn)為光的傳播需要介質(zhì),這個(gè)介質(zhì)就是以太。

但這里有一個(gè)很突出的問題:當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界都在談?wù)撘蕴?,但以太到底是什么?/p>

總體來講,以太就是一個(gè)假設(shè)的概念,但光有假設(shè)可不行啊,科學(xué)是相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,必須有?shí)驗(yàn)的支撐,否則遇到問題就用假設(shè)去應(yīng)付,那肯定是不行的。假設(shè)可以,但假設(shè)之后必須尋找相關(guān)證據(jù)。

尤其是在麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來的光速計(jì)算公式中,光的速度竟然與參照系無關(guān),這是當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界大佬無論如何都不能接受的,因?yàn)槿绻獾乃俣日娴牟恍枰獏⒄障?,意味著牛頓經(jīng)典力學(xué)轟然倒塌。

當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界提出以太就是光的參照系,但還是剛才的問題,物理學(xué)界大佬必須找到以太存在的證據(jù),否則以太的概念就沒有任何說服力。

其實(shí)在更早的時(shí)候,法拉第曾經(jīng)試圖用場(chǎng)的概念代替以太,因?yàn)樗救朔浅S憛捯蕴@個(gè)看不見摸不著的詭異存在。只不過在當(dāng)時(shí),場(chǎng)的概念太超前了,很難被大眾接受。而法拉第的弟子麥克斯韋也承認(rèn)以太的存在,因此法拉第關(guān)于“以太就是場(chǎng)”的思想在當(dāng)時(shí)并沒有引起很大反響。

無論如何,物理學(xué)家們必須找到以太存在的證據(jù),而邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)正是在這種背景下出現(xiàn)的。

理論上講,尋找以太存在的證據(jù)很簡(jiǎn)單。因?yàn)橐蕴墙^對(duì)靜止的,那么以太相當(dāng)太陽當(dāng)然也是靜止的。而地球以每秒30公里的速度圍繞太陽運(yùn)行,當(dāng)?shù)厍蛞粋?cè)朝向太陽運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)感受到“以太風(fēng)”。

由于光在以太中傳播的速度為光速c,而地球相對(duì)以太的速度為v(也就是每秒30公里),那么當(dāng)?shù)厍虻囊粋?cè)朝向和背向太陽運(yùn)動(dòng)時(shí),兩個(gè)方向上測(cè)量出來的光速肯定是不同的,分別是c-v和c+v。

說白了,地球運(yùn)動(dòng)方向的不同,測(cè)量出來的光的速度就不一樣。當(dāng)然,邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)過程并不是這樣的,有些復(fù)雜,但原理是一樣的,都是利用地球運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致光速的改變。

但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻出乎了所有人的意料,無論地球朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng),測(cè)量出來的光速都是一樣的。面對(duì)這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即便是邁克爾遜和莫雷兩人也不相信,他們寧愿懷疑是實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)了紕漏或者說實(shí)驗(yàn)儀器不夠精準(zhǔn),也不相信就是那樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

其實(shí)如今想象,當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界大佬不相信實(shí)驗(yàn)結(jié)果太正常不過了,因?yàn)閯偛耪f了,如果光速真的不變,就意味著牛頓經(jīng)典力學(xué)轟然倒塌,他們?cè)趺茨茌p易接受統(tǒng)治物理學(xué)界幾百年的牛頓力學(xué)就這樣倒塌了呢?

于是,邁克爾遜和莫雷兩人重新對(duì)實(shí)驗(yàn)過程細(xì)致檢查了一遍,看看有沒有什么瑕疵,同時(shí)盡可能提高實(shí)驗(yàn)儀器精確度,接下來重復(fù)做了很多次實(shí)驗(yàn),但結(jié)果仍舊如此。其實(shí)還有很多物理學(xué)家也做過類似的實(shí)驗(yàn),但結(jié)果都是一樣的。

這樣的結(jié)果讓邁克爾遜和莫雷兩人心有不甘,他們本能地排斥如此“荒唐”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這樣的結(jié)果無異于他們世界觀的徹底崩塌。但無論如何他們還是要為實(shí)驗(yàn)結(jié)果負(fù)責(zé),于是兩人極不情愿地公布了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

看到公布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界大佬都非常恐慌,雖然實(shí)驗(yàn)冥冥之中已經(jīng)指向了“光速不變”,表明以太確實(shí)是不存在的,但物理學(xué)界大佬根本就沒有往那方面考慮,他們只有一個(gè)念頭:如何在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)以太的概念進(jìn)行修正,而不是徹底否定以太。

可見當(dāng)時(shí)的牛頓力學(xué)體系在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界地位有多高,甚至被封為“神明”也不為過。

洛倫茲變換就是在這種背景下誕生的,是修正以太的結(jié)果,正是為詮釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)而提出來的。洛倫茲變換并不認(rèn)為光速是不變的,仍舊堅(jiān)持以太的存在。洛倫茲認(rèn)為以太在運(yùn)動(dòng)的方向上會(huì)收縮,從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果會(huì)有不同。

也就是說,洛倫茲變換仍舊是以絕對(duì)時(shí)空觀為基礎(chǔ)的,仍舊認(rèn)為以太是絕對(duì)靜止的參照系。洛倫茲變換提出的時(shí)間比狹義相對(duì)論更早,它本身就是為了詮釋以太而提出來的。

而愛因斯坦在后來提出的狹義相對(duì)論,完全否定了以太的存在,提出了光速不變,光速是絕對(duì)的,于是在光速不變?cè)磉€有狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上,愛因斯提提出了偉大的狹義相對(duì)論。

在愛因斯坦眼里,以太不存在,時(shí)空也不是絕對(duì)的。

可以看出,愛因斯坦的狹義相對(duì)論與邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)并沒有直接的關(guān)系,前者完全否定了以太和牛頓力學(xué)體系的基礎(chǔ)絕對(duì)時(shí)空觀,而后者的目的就是為了尋找以太存在的證據(jù),雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以太并不存在,但當(dāng)時(shí)的絕大多數(shù)物理學(xué)界大佬根本不相信實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而是通過各種方式對(duì)以太的概念“修修補(bǔ)補(bǔ)”,讓其滿足邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果,洛倫茲變換就是這樣的。

而愛因斯坦的狹義相對(duì)論推導(dǎo)出來的結(jié)果與洛倫茲變換是一致的,這也是為什么愛因斯坦會(huì)把洛倫茲變換作為狹義相對(duì)論中的基本公式。

如今來看,洛倫茲變換提出的“以太在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)收縮”,本質(zhì)上與狹義相對(duì)論中的“空間在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)收縮”并沒有什么不同,我們直接把以太看做是“空間”就行了,兩者就完全是一個(gè)意思了。

空間不正像以太一樣,也是看不見摸不著的呢?

實(shí)際上,如今科學(xué)界仍有一部分人認(rèn)為是洛倫茲第一個(gè)提出了狹義相對(duì)論,其實(shí)也是有一定道理的。只是說洛倫茲并沒有明確提出來,就差最后一層“窗戶紙”沒有捅破,實(shí)際上他已經(jīng)無限接近狹義相對(duì)論了。

愛因斯坦和洛倫茲也是很好的朋友,在洛倫茲去世后,愛因斯坦在他的墓前曾發(fā)出這樣的感慨來悼念朋友,聲稱洛倫茲的思想對(duì)他產(chǎn)生了極其重要的影響。但到底是怎樣的影響,愛因斯坦到底想表達(dá)什么,我們并不知道,或許只有愛因斯坦自己知道了。

總結(jié)

雖然狹義相對(duì)論的創(chuàng)建與邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的關(guān)系不是很大,但這并不是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)沒有給愛因斯坦帶來任何影響,那是不可能的。

作為當(dāng)時(shí)物理學(xué)界最重要的實(shí)驗(yàn)之一,愛因斯坦不可能不知道邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。同時(shí),狹義相對(duì)論體系中直接引用了洛倫茲變換這個(gè)重要公式,當(dāng)然肯定知道這個(gè)公式背后的含義了,而洛倫茲變換其實(shí)就是為詮釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)而設(shè)定的。

或許,邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)只是給了愛因斯坦靈感,正如麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來的光速不變公式給了他靈感一樣,在靈感的基礎(chǔ)上,愛因斯坦秉承著“如無必要勿增實(shí)體”的奧卡姆剃刀原理,直接把“以太”的概念“咔嚓”掉了!

完!

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