相对论（4）迈克尔逊

上回我们说到，物理学家们为了让电磁学和牛顿力学显得融洽一些，就将老以太搬了出来，说光在以太中传播，甚至给光起了个名字叫以太波。还说光速每秒30万公里，是相对于以太的速度。

虽然假设出来的以太很好用，但是这次以太想堂堂正正地走进科学的殿堂，就需要严格的实验验证。

那么怎么验？原理很简单，如果以太真的存在，且静止不动，光以以太为媒介传播，那么当我们的实验设备和以太有一个相对速度的话，应该测得的光速不同。

比如，现在有一个光源发出了一束光线，这束光以以太为媒介传播，速度为C，现在我们也相对于以太运动，速度为V，如果朝向光源运动，测得的光速就是C v，远离光源运动测得的光速就是c-v。

也就是说，测量出来的光速满足伽利略变化。

再比如，我们向河流中扔了一块石头，产生了波纹，由于河流的流动就导致了，朝向上游方向的水波速度变慢，朝向下游方向的水波速度变快。

所以说，如果光真的以以太为媒介传播，那么我们相对于以太的运动，就会造成测量的光速出现差异。

但问题是，光速测量非常困难，对光速的测量总是存在误差，而且光速非常快，大约每秒30万公里，如果我们相对于以太运动的速度很小的话，那根本测不出任何差异。

不过，美国的实验物理学家迈克尔逊，还是设计出了一个非常巧妙的实验，利用了地球在以太中运动的速度，来测量对光速的影响。

我们知道地球不仅在自转，还在绕着太阳公转，大约每秒30公里，地球在以太中运动的时候，就像是飞机在静止的空气中飞行一样，迎面会吹来强烈的“以太风”。

这样就会对光速造成每秒30公里的差异，但是这个差异只有光速的万分之一，直接对光速测量依旧很难达到这样的精度。提高我们相对于以太的速度是不可能了，地球的公转已经是我们能利用得最快速度了。

那么怎么办？迈克尔逊想到了一个绝妙的办法，不直接测量光速变化，而是通过检测光速变化，在干涉仪上造成的干涉条纹的移动，来确认地球的运动有没有影响到光速。

所以迈克尔逊就设计出了这样一个实验设备，它由两个互相垂直的悬臂，光源，半透镜和干涉仪组成。

光源产生光线，射向分光镜，分光镜会把光线分成垂直和水平的两束光线，再由全反射镜反射回来，进入干涉仪产生干涉图样，

这里需要注意的是，光在竖直和水平方向上的走过的路程是一样的，如果光速没有变化，那两束光就会同时达到干涉仪，干涉仪就能够检测出两束光干涉以后的波长。

如果某条悬臂上的光速出现变化，那么两束光就不再同步达到干涉仪，那么干涉条纹就会发生移动。

1881年迈克尔逊首次进行了检测以太的实验，按照最初的设想，地球绕着太阳在以太中运动，只要转动干涉仪的角度，那么以太就不会对其中一条悬臂上的光速产生影响，因为两条悬臂是垂直的。

而且按照地球在以太中运动的速度，估计出在干涉仪中检测到光的波长应该会出现0.04倍波长的变化。

经过重复多次的实验，可是结果显示，干涉以后光的波长没有发生任何变化，其间地球的公转方向已经明显发生了变化。

这次实验的失败，没有检测到地球相对于以太的运动，并没有被人们认可，很多人说，你这干涉仪太小了，两个悬臂只有1.2米，光速那么快，都不够光跑的，你这实验精度不够，因此检测不到以太。

迈克尔逊也认为以太肯定存在，自己没有检测到，是因为干涉仪太小，要建造更大的干涉仪，自己能力有限，于是就找到了爱德华·莫雷，这位建造实验设备的行家。

他俩做出来的新干涉仪悬臂达到了12米，而且为了消除振动对实验造成的误差，他俩还把干涉仪放在了水泥台上，水泥台下面是灌满水银的水槽。

这次的实验射设备可以说非常完美，精度比原来提高了10倍，可以检测到0.01倍的波长变化，而他们估计以太的存在会在此设备上造成0.4倍的波长变化，精度完全绰绰有余。

他们相信这次肯定能测出来地球在以太中运动，计划实验要进行大半年的时间，因为地球有近日点和远日点，公转速度不一样。

理想很丰满，现实却很残酷，这么完美的设备依然检测不到波长变化。

图中的虚线是他们预估出来的波长变化，而他们在1887年测量出来的结果，也就是图中的实线，可以认为是0，毫无变化。

所以实验只做了短短的数天，他俩就对实验结果写了一篇论文《论地球相对于以太的运动》，发表在了《美国科学期刊》上。

实验的0结果，让整个 科学界一片哗然，无法接受，这个结果说明了，要么是牛顿错了，要么是麦克斯韦错了，必须二选一。

可当时人们既想要麦克斯韦，又舍不得牛顿，所以在苦苦挣扎的痛苦当中又开始找补，说干涉仪的悬臂在以太中运动的时候，受到了以太风的压力，变短了，正好给抵消了光速的变化。

这个说法非常的讨厌，因为你无法测量悬臂是不是真的变短了，当你测量的时候，你的尺子也会相应的变短，所以测出来的结果是没有变短。因此这种说法无法被证伪。凡是无法被证伪的理论，都算不上科学，只能算是抬杠。

在面对这种二选一的困境时，能够做出突破的一般都是那些初出茅庐的年轻人，他们没有那么多的顾虑，俗话说，乱拳打死老师傅，这位不按套路出牌的人就是瑞士伯尔尼专利局的一位三级技术员，他叫爱因斯坦。

这是我们下节课的内容。

最后，我们说下迈克尔逊-莫雷实验能不能直接证明光速恒定？

先说结论，这个实验并不能证明光速恒定，它只是证伪了以太理论。因为迈克尔逊-莫雷实验的前提是，假设以太这个静止的参考系存在，会对光速造成差异，而实验结果没有检测到光速变化，只是证伪了这个前提假设，证伪了所有光媒介静止参考系的存在。

而实验中出现的光速不变，可以用很多乱七八糟的理论去解释，比如你说光传播可能存在其他介质，这个介质并不是静止的，地球在运动的时候会和这种介质发生相互作用，导致了我们检测到的光速没有变化，迈克尔逊莫雷实验并不能都证伪你的这个理论，所以它并不能直接确切的证明光速恒定不变。

而且更为重要的是，任何实验都不能证明什么，只能证伪某些假设是错误的，或者是验证某些理论暂时是正确的。

比如你说了一句，天下乌鸦一般黑这个理论，然后你就开始全球去实地考察你的理论，你发现，你看到的乌鸦都是黑的，这能证明你的理论是正确的吗？

并不能，因为你无法保证这个世界上在某个地方没有白乌鸦，或者说以后不会出现白乌鸦，因此你的实验只是验证了你的理论暂时性是正确的。

并不是证明，你的理论就是完全正确的。

如果有一天，某人抓了一只乌鸦发现是白色的，那么这就证伪了你的理论是错误的。所以说，实验本身并不是证明什么，只能验证和证伪某些东西。

好了，今天就说到这里。