麥可孫—莫雷實驗從震驚到改變物理學,從烏雲到相對論誕生

2020-12-04 華龍新觀點

在上一篇《物理史上四大反證實驗:泊松亮斑》的文章裡,開講了第一篇,這是第二篇,即麥可孫—莫雷實驗,這是一個影響非常深遠的反論證實驗。

如果問物理史上什麼實驗困惑最多、爭議最大、影響最深?

答案就是麥可孫—莫雷實驗,為了方便,敘述清楚,我們以實驗報告的形式表述:

麥可孫—莫雷實驗報告

實驗名稱:「以太風」測試實驗,後人稱為麥可孫—莫雷實驗

實驗目的:

1、驗證用「以太」為參照的慣性系的「以太風」的速度。

2、通過光的幹涉原理,測定「以太」 相對地球的運動速度,驗證「以太」是否存在。

實驗時間和人物:1887年,美國物理學家麥可孫和化學家莫雷

實驗背景:

1、19世紀初,隨著楊氏光的雙縫幹涉實驗和泊松亮斑實驗的驗證,特別是菲涅爾的光波動理論的貢獻,光的波動說全面復活,推翻了長達100多年的牛頓的光的微粒說。

2、當時理論認為,光既然是波,應如水波、音波一樣,一定存在傳播的介質,人們普遍認為,「以太」就是光傳播的媒質,但又無法捕捉和驗證。

3、「以太」被認為是宇宙空間無處不在,處於絕對靜止的小顆粒物質,是相對運動的絕對靜止參考系。

4、物理學家非常需要確證「以太」來明確光的波動學說,同時確立經典物理「以太」的絕對慣性系。

實驗儀器:麥可孫幹涉儀

實驗原理:

1、「以太」既然是絕對靜止,地球繞太陽的公轉速度是30km/s,那麼就會遭遇30km/s的「以太」風,根據相對運動的伽利略變換原理,光速應有c+v和c-v的變化。

2、利用麥可孫幹涉儀兩垂直光的光速差產生光的幹涉,應當有幹涉條紋變化發生,從而可以計算出「以太」相對地球的運動速度。

實驗步驟:(略)

實驗結果:

實驗結果表示,幹涉條紋沒有發生變化,通稱叫「零結果」。

實驗分析與結論:

1、「以太」要麼不存在,要麼跟隨地球一起運動,那麼「以太」就不處於絕對靜止狀態。

2、光速不隨參照系而發生速度變化,簡稱光速不變。

實驗影響:

1、震驚物理界,完全出乎大家的預料,麥可孫因此獲得諾貝爾獎,當時被稱為最讓人心涼而困惑的諾貝爾獎。

2、對於實驗結論對「以太」的分析,無論是對「以太」否定存在,還是確定「以太」不是絕對靜止,是對光的波動學說,包括電磁理論,都是致命的打擊。

3、光速不變的結論,更是對牛頓絕對時空觀和絕對慣性系的一個證偽。

4、這個實驗結論,幾乎撼動了整個經典物理學的大廈,因此,被湯姆孫稱為19世紀末物理學晴朗天空的兩朵烏雲之一。

5、引發了對「零結果」各種解讀學說,最著名的的有荷蘭物理學家洛侖茲,提出了量杆收縮解釋和長度收縮公式,這就是著名的洛侖茲變換。

6、愛因斯坦直接以光速不變為假設條件,利用洛侖茲變換,提出了《相對論》,奠定了現代物理學的基礎支柱之一。

7、「以太」被否決,光的波動理論被確定了光是無介質的波,從此光波面臨解說困惑。

實驗爭議:

1、質疑實驗的準確性:

麥可孫—莫雷實驗的零結果,出乎意料,引發了人們的困惑,在相當長的一段時間內,引發對實驗結果的懷疑,但通過實驗設備的不斷改進和無數次實驗證明,「零結果」是確定的,懷疑被否決。

2、質疑光速不變的結論

人們試圖用各種方式來證明光速在同一慣性系裡是可變的結論,而愛因斯坦的相對論是建立在光速不變的基礎上的,否定光速不變,就是否定相對論,反過來,相對論沒有被證偽和吻合應用,則光速不變就是正確的。

相對論不斷被驗證和符合應用,所以光速不變不斷得到肯定。

3、質疑「以太」不存在論

在麥可孫—莫雷實驗之前,人們對波的認識和物理意義是:波的傳播必須有介質,如水波的介質是水,音波的介質是空氣,沒有介質的波是無法描述和想像的,這也是「以太」被引入,作為光的介質的原因。

「以太」被麥可孫—莫雷實驗否決以後,人們不得不接受超距作用,如引力的超距作用。

同時,人們發現,沒有介質的光波實在難以描述和解說,所以,偷換概念的以太仍然流行,如磁力線、電磁場、勢能壁壘等新概念不斷湧現。

同時還發現,光波沒有了介質,對光的波粒二象性的解釋和理解非常困難,特別是粒子的波粒二象性,如電子的雙縫幹涉實驗更是困惑了物理學界近百年,直到今天仍然是物理學之謎。

這也引發了多年來,人們從未放棄尋找新理論來解讀麥可孫—莫雷實驗的決心和熱潮。

在此,摘錄靜態光粒子學說以供參讀。

靜態光粒子論

主要觀點1:

光是單個光粒子的集合體,有三種狀態形式:

第一種形式:構成粒子參與物體組成,或獨立在磁場裡,叫磁粒子,具有繞一核心自轉和周轉的慣性態,且自轉和周轉動能之和等於光速動能。

第二種形式:存在於光源裡,具有光速動能的振動態,叫動態光粒子。

第三種形式:沒有能量,保持靜止狀態,充塞空間,叫靜態光粒子,所有粒子和物體浸沒在以靜態光粒子為實質的大海。

這一理論強調認為:靜態光粒子就是光的傳播介質,沒有介質的波是不可能存在和傳播,也不符合物理定律,否定光的介質和「以太」學說,本身就是遺憾,

主要觀點二:

光的三種狀態的單個粒子,質量相等,但能量不同。

震動態光粒子的能量式:

E0=1/2m0C^2 (1)

磁粒子基態能量式:

E0=1/2m0(V1^2+V2^2)=1/2m0C^2 (2)

磁粒子激態能量式:

Ej=1/2m0(V1^2+V2^2)=m0C^2 (3)

這裡:E0為光的單個粒子的能量,m0是質量,V1為磁粒子的自轉速度,V2為周轉速度,C為光速,則:

靜態光粒子沒有能量,但能攫取也只能攫取所有等於光速動能的能量,因此轉變為震動態光粒子。

主要觀點三;

光的三種狀態可以互相轉化,產生光的各種現象,構成光的本質特性。

1、光源的本質與質能方程

磁粒子在一般情況下處於基態能,即自轉和周轉的動能之和等於光速動能;

但獲取能量後, 由基態變成激態,即自轉和周轉的動能之和等於2倍光速動能。

此時,充斥於空間的靜態光粒子就能迅速攫取磁粒子激態能,周圍的靜態光粒子被轉化為震動態光粒子,聚集於磁場或物體周圍,即形成了光源。

磁粒子因為釋放了一半的能量,重新回到基態形式,並保持穩定狀態。

磁粒子的這一特性,使得磁粒子具有良好的穩定性,構成了相對穩定的物體內粒子和磁場。

磁粒子的自轉和周轉的動能之和等於光速動能的特性,也是磁場和粒子內能的貯藏形式和能量來源,同時也是解說愛因斯坦的質能方程起源和本質的基本原理。

2、波粒二象性

光波:光源裡的震動態光粒子與充斥空間的靜態光粒子不斷互化,傳遞能量而形成光源的光速位移,是光粒子的震動態的光速能量傳播,而不是光粒子在空間方向的直線移動。

宇宙物體和粒子都是浸沒在以靜態光粒子為實質的大海裡,一切具有輻射源性質的物體或粒子,都將激活和擾動靜態光粒子而產生光波現象,這與水波具有相似的原理。

由於光波的光源和介質都是光的單個粒子本身,所以在光波路徑上的任意一點,都表現出光的波性和粒子屬性,這就是光的波粒二像性。

3、麥可孫—莫雷實驗新解釋:

在這裡,反覆強調光的傳播是光源的位移,不是光粒子在空間方向的直線移動,光傳播路徑上任意一點,都是震動態光粒子與靜態光粒子的互化形成的新光源,任何一點對光速的測量和檢測都是光源位移的起點。所以不存在任何的相對運動和參照系,

因此,光速無論如何測量,必然處處相等,不可能產生光差現象,這是光速不變的原因。

因此,麥可孫—莫雷實驗光速不變是必然結果,也不是否定「以太」存在的實驗。

限於篇幅,本篇不作過多解讀。如有興趣,可以關注作者,就可以參看有關電子雙縫幹涉實驗新理論分析和解說的文章,還有靜態光粒子的論述文章。可能會對你有所啟發和幫助。

相關焦點

  • 失敗的實驗竟打開了相對論的大門,麥可孫的故事,你知道嗎?
    失敗的實驗竟打開了相對論的大門,麥可孫的故事,你知道嗎?大家好,歡迎來到今天的小柯趣味說,今天跟大家聊聊相對論,麥可孫的故事,你知道嗎?這位科學家,一次失敗的實驗竟打開了相對論的大門!跟著筆者一起來看看吧。現在我們都知道,聲音不能在真空中傳播,但光線可以在真空中傳播。
  • 麥可-遜莫雷實驗如何證明以太不存在?
    麥可-遜莫雷實驗如何證明以太不存在?他想知道:麥可-遜莫雷實驗如何證明以太不存在?讓我們聽聽丘成桐先生怎麼回答。麥可-遜莫雷實驗如何證明以太不存在?10歲小觀眾問丘成桐:麥可-遜莫雷實驗如何證明以太不存在?
  • 量子度量 一、烏雲背後的烏雲
    一百多年前,兩大理論的提出是為了解決物理學中存在的小問題,然而令人措手不及的是,新理論的誕生卻帶來了更多的問題。一、烏雲背後的烏雲1900年4月27日,英國著名物理學家威廉湯姆生(即開爾文男爵),在英國皇家學會發表的名為《在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲》演講,開爾文男爵樂觀地指出,物理大廈已經完成,所剩的只是一些修飾工作,同時他還富有遠見地指出,在物理學陽光燦爛的天空中飄浮著兩朵烏雲。第一朵烏雲主要是指麥可遜莫雷實驗。
  • 讀《放射性秘史》:從第三朵烏雲到蘑菇雲—新聞—科學網
  • 狹義相對論是物理學中的一朵「烏雲」催生的!
    例如最有名的就是狹義相對論和廣義相對論,另外還有他的光子假說解釋光電效應;質量大的物體會使光線發生彎曲,在1915年日全食觀測水星,也證實了他的正確性。前幾年引力波的發現,這證明了他一百年前的預言……那麼各位小夥伴知道狹義相對論是怎樣提出的嗎?今天土哥帶大家了解一下。伽利略相對性原理內容:力學規律在所有慣性坐標系中是等價的。
  • 在物理學晴朗天空的遠處,還有兩朵小小的、令人不安的烏雲
    從18 世紀到世紀, 在大量實驗的基礎上,物理學的各個分支學科都得到 了很大發展:卡諾、焦耳、開爾文、克勞修斯等建立了宏觀熱力 學理論,克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼等建立了熱現象的氣體 動理論;庫侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等建立了電磁學理論;託馬斯楊、菲涅耳等建立了波動光學理論。
  • 兩朵「烏雲」籠罩在現代宇宙學上,或將再次引發物理學變革
    在19世紀與20世紀之交,堅不可摧的經典物理學大廈已經構建起來。然而,還有兩朵「烏雲」籠罩在這上空,這令當時的一些物理學家惴惴不安,誰也沒有想到最終會引發物理學史上最大的一場變革。一朵「烏雲」是紫外災變,黑體輻射能量呈現出不連續性,最終從中誕生了量子力學。
  • 人類對真理的探求永遠是從已知到未知,從推理到實驗
    通過比薩斜塔思維實驗,他證偽了亞里斯多德的落體觀念,更重要的是引入了科學推理和實驗,為物理學的發展指出了方向。這是經典物理學曾達到的最高點,同時也是經典物理學開始謝幕的最後時刻。一九零零年四月二十七日。凱爾文男爵在英國皇家學會上發表了演講,認為在經典物理學上空漂浮著兩朵烏雲。同年十二月十四日,普朗克在德國物理學會上公落其推算來的訪客,黑體公示,這標誌著量子力學的誕生。
  • 相對論誕生前夜,經典物理學差點崩潰
    相對論是近代物理學的兩大基石之一,即使是不了解它的人也都聽說過尺縮效應。對於不了解相對論的人來說,尺縮是非常難以理解的。本文將以經典物理學的視角,帶您回顧相對論誕生之前,物理學在面對新現象時所遭遇的困境。
  • 現代物理學還有多少烏雲?至少三大烏雲,幾十朵小烏雲,甚至更多
    從17世紀開始,伽利略通過系統化實驗歸納了自然規律,從而標誌著物理學的誕生。從伽利略到牛頓,從麥克斯韋再到愛因斯坦,從哈勃提出宇宙膨脹論到霍金提出黑洞輻射。物理學的新理論層出不窮,每一個都顛覆著常人的思維。從伽利略的自由落體實驗那年開始計算,物理學到今天走過來將近400年的時光。
  • 從伽利略到牛頓從愛因斯坦到楊振寧,人類物理體系是怎麼形成的
    從牛頓到薛丁格,從經典物理學在到現代物理學,人類的物理學大廈究竟是如何被一步步建立起來的,從16世紀1564年,歐洲誕生了一位偉大的人物他就是伽利略,通過比薩斜塔思維實驗,他正偽了亞里斯多德的落體觀念,更重要的是引入了科學推理和實驗為物理學的發展指出了方向,而就在伽利略去世一年後,
  • 開爾文的兩朵「烏雲」——經典物理學的危機
    然而,他還是低估了這兩朵「烏雲」的威力。它們是從根基上動搖了經典物理學大廈,使經典物理學處於深刻的危機之中。開爾文所稱的第一朵烏雲就是指的邁克耳遜一莫雷的「以太」漂移實驗。人們知道,水波的傳播要有水做媒介,聲波的傳播要有空氣做媒介,它們離開了介質都不能傳播。太陽光穿過真空傳到地球上,幾十億光年以外的星系發出的光,也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什麼能在真空中傳播?它的傳播介質是什麼?
  • 運用勾股定理,直觀理解否定以太存在的麥可遜-莫雷實驗
    同時,牛頓運動定律也直接或間接地促進了物理學其他分支的發展,例如電學和磁學。儘管如此,這些定律在近代仍然經歷了重要的演變,這究竟為什麼呢?科學定律、科學理論和科學假說的成功或失敗,最終的判決依據取決於它們對自然現象的解釋是否成功。正是由於對某些觀測現象無法解釋,並且與其他的理論物理學的發展出現矛盾,牛頓的物理概念最終被更深奧的概念所代替。
  • 現代物理學已經發展到瓶頸了嗎?人類科技真被「智子鎖死」?
    至此,物理學開始蓬勃發展。18世紀末,蒸汽機的應用導致了第一次科技革命。19世紀中葉,麥克斯韋用一組優美的方程統一了電和磁。經典電磁學完善後,同時開啟了技術上的大變革,第二次科技革命就是從19世紀60年代開始的。從物理學的正式誕生到第二次科技革命開始,這一時期屬於經典物理學時期,持續了300多年。
  • 現代物理學已經發展到瓶頸了嗎?人類科技真被「智子鎖死」?
    從物理學的正式誕生到第二次科技革命開始,這一時期屬於經典物理學時期,持續了300多年。在這一時期,物理學進入了實驗為主的時代,並且數學與物理學開始緊密結合。因為實踐表明,人的經驗並不可靠,為了保證研究結果的準確無誤,為所有人公認,科學家必須用可重複的實驗來檢驗結論的正確性,並對物質的物理性質及運動變化過程中的物理規律進行定性定量的研究和描述。19世紀末,物理學的天空飄來了兩朵烏雲。第一朵烏雲指麥可遜-莫雷實驗與以太說的破滅,第二朵烏雲指黑體輻射與紫外災難。
  • 經典物理學中的以太存在嗎?
    曾經的經典物理學大廈上空飄著兩朵烏雲,第一朵就是沒有證明以太的存在,第二點是黑體輻射理論和實際的不匹配。這兩朵烏雲一朵發展出了相對論,另外一朵發展出量子力學。如果在當初實驗後證明了以太是存在的,那麼愛因斯坦的相對論也就不會出現了。
  • 兩朵烏雲催生兩大理論,你知道嗎?
    在1900年,著名英國物理學家開爾文(威廉·湯姆遜)在一篇瞻望二十世紀物理學的文章中他先說:「在已經基本建成的物理學大廈中,後輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了……」,接著他又說:「但是,在物理學晴朗的天空的遠處,還有兩朵小小的令人不安的烏雲」
  • 物理學上的紫外災難是什麼
    光與大尺寸物體作用體現出幾何光學的特性,與小尺寸物體作用體現出波動性,在原子尺度上的表現體現出量子性,在解釋光在原子尺度上的表現,經典理論遇到困難,歷史上稱為紫外災難,它導致了量子論的誕生
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論
    愛因斯坦在大學期間也設計了相關實驗,不過因為沒有得到學校的支持而作罷。這篇文章的主題是狹義相對論的誕生,我不可能把所有的以太實驗都列出來,那夠寫一本書了。當然,完全曳引假說後來又被其它實驗否決了,那是後話,我們這裡不細談。麥可遜-莫雷實驗讓物理學家們大為震驚。