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。