_近代物理學(xué)中重大發(fā)現(xiàn)的再探索_連載5_尋找以太.pdf

第 2 9卷第 1 0期 2 0 1 0年 1 O月 大學(xué)物理 COLL EGE PHYS I CS V0 1 2 9 N0 1 O 0c t 2 01 O 近代物理學(xué)中重大發(fā)現(xiàn)的再探索 連載 尋 找 以太 倪致祥 阜 陽(yáng)師范學(xué)院 物理 與電子科學(xué)學(xué) 院 安徽 阜陽(yáng)2 3 6 0 4 1 摘要 介紹 了以太 漂移問題 出現(xiàn)的背景 以再探索 的方式展 現(xiàn) 了人們 通過物理 實(shí)驗(yàn) 尋找 以太 的過程 以及 對(duì)實(shí)驗(yàn)零 結(jié)果 的物理解釋 關(guān)鍵詞 以太 漂移 零結(jié)果 中圖分類號(hào) 0 4 0 9 0 4 1 2 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1 0 0 0 0 7 1 2 2 0 1 0 1 0 0 0 5 9 0 5 l 問題的背景 牛頓力學(xué)是在開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律和伽利略 自 由落體定律基礎(chǔ)上建立起來 的 開普勒行星運(yùn)動(dòng)定 律以太陽(yáng)為參考系 伽利略 自由落體定律以地面為 參考 系 兩者 之 間具有相 對(duì)運(yùn) 動(dòng) 怎么 能統(tǒng) 一成 牛頓 力 學(xué) 呢 原 因是它 們滿 足伽 利略所 發(fā)現(xiàn) 的相 對(duì)論 原 理 即 一切慣性系在力學(xué)上是完 全等價(jià)的 用數(shù) 學(xué)語(yǔ) 言來 表述 就是 力學(xué) 規(guī)律 的形式 在伽 利 略變換 叫 下保持不變 其 中 t 和 f 分別為物體在慣性系 s 和 S 中 的位 置矢 量 和 時(shí) 間 l f 為 S 系 相 對(duì) 于 S系 的 運(yùn)動(dòng)速 度 研 究證 明 牛 頓運(yùn) 動(dòng)定 律滿 足伽 利略 的相 對(duì) 論原 理 這 表 明不 可能 通 過 力 學(xué) 實(shí) 驗(yàn)來 判 斷 一 個(gè) 參 考系是 否運(yùn) 動(dòng) 即絕對(duì) 運(yùn) 動(dòng)是 不 存在 的 可見光是人類最重要的信息來源 離開了可見 光 人就是瞎子 1 8 6 5年 麥克斯韋所發(fā)展的電磁場(chǎng) 理論 表 明光 是一 種 電磁波 對(duì)應(yīng) 的標(biāo) 勢(shì) 西 或 者矢 勢(shì) A 滿足 自由空問 中 的波動(dòng)方 程 o B o 0 2 其 中 是真空磁導(dǎo)率 s 是真空介 電常量 顯然 方 程 2 與特定方 向無關(guān) 在空間轉(zhuǎn)動(dòng)變換下方程 2 的形式保 持 不 變 例 如 繞 z軸轉(zhuǎn) 動(dòng)角 度 后 所 得 新坐標(biāo)系 s Y 與原坐標(biāo)系 s Y z 之間的 r c o s y s i n 變換關(guān)系為 J Y 一 x s i n y c o s 3 z 2 方程 2 變?yōu)?V 0 4 D 這說明上述方程具有空間各向同性 因此 可以將問 題 簡(jiǎn)化 為沿著 軸方 向 的一維 運(yùn)動(dòng) 式 2 成為 一 0 5 O x C O t 其中c l 8 式 5 的通解為 X c t g C t 其中 X c t 表示一個(gè)以速度 c 沿著 正向傳 播 的波 g x c t 表示沿著 負(fù)向傳播的波 人們?cè)缇椭缆暡ú皇仟?dú)立 的物質(zhì)存在 而是 介質(zhì)振動(dòng)的傳播 按照類比 當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為光也是在 某種介質(zhì) 中傳播 的 這種介質(zhì)稱為 光 以太 它 充滿整個(gè)虛空 與發(fā)射粒子的情況不同 物體所發(fā)出 的聲波速 度 完全 由介 質(zhì) 決 定 與 發(fā) 射物 的運(yùn) 動(dòng) 狀況 無關(guān) 人們 對(duì) 雙星 系統(tǒng)運(yùn) 動(dòng) 的觀察表 明 光波 的速度 也完全由介質(zhì)決定 根據(jù)式 5 光在 以太中的傳 播 速度 為 c 光的速度到底有多大 這是物理學(xué)家一直非常 關(guān) 心 的問題 伽利 略最先 進(jìn)行 了光 速測(cè) 量實(shí)驗(yàn) 但是 沒 有取得 成 功 1 7 2 8年 英 國(guó)天 文學(xué) 家 布拉 德 雷 根據(jù) 恒星的光行差推算 出光速 為 c 3 1 1 0 m s 1 8 4 9 年法 國(guó)物理學(xué)家斐索用旋轉(zhuǎn)齒輪法率先在地面上測(cè) 量出光速為 c 3 1 5 3 X 1 0 m s 1 8 6 2年傅科用旋轉(zhuǎn) 收稿日期 2 0 1 0 0 6 0 7 基金項(xiàng) 目 安徽省教學(xué)改革示范專 業(yè)和教育部高等學(xué)校特色專業(yè)建設(shè) 點(diǎn)項(xiàng) 目資 助 作者簡(jiǎn)介 倪致祥 1 9 5 5 一 男 上海市人 阜 陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院教授 主要研究方向?yàn)槔碚撐锢?大學(xué)物理 第 2 9卷 鏡法 測(cè)量 出空氣 中 的光速 為 2 9 8 X 1 0 m s 1 8 8 3年 美 國(guó)物理 學(xué)家邁 克 耳 孫利 用 改 進(jìn) 的傅 科 方 法 測(cè) 出 c 2 9 9 8 5 3 1 0 m s 精度 達(dá)到 2 X 1 0 實(shí) 驗(yàn)測(cè) 量與 理論結(jié)果c 1 J o 6 o 高度吻合 支持了麥克斯韋的 電磁 場(chǎng)理論 然 而 我 們沒 有 任 何理 由認(rèn) 為地 球 在 以太 中是 靜止的 假設(shè)地球相對(duì)以太 以速度 u沿著 軸 的正 向運(yùn) 動(dòng) 即 l f u i 按 照伽 利 略變 換式 1 以地 球 為 參 考 系時(shí) 波 動(dòng)方 程 2 成 為 一 等 一 霧 0 這說明電磁場(chǎng)理論不是在任何 參照系中都正確 以 太是一 個(gè)特 殊的參 考 系 2 尋找以太 對(duì) 物理學(xué) 家來 說 找 到一 個(gè)特 殊 的參 考 系 就相 當(dāng)于找 到 了宇 宙 的 中 心 可 以定 義 絕 對(duì) 的運(yùn) 動(dòng) 其 意義是 極其 重 大 的 直 到 1 8 7 9年 去世 之 前 麥 克 斯韋都非常關(guān)心能否確定地球絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的問題 然而 以太 看 不 見摸 不 著 不 能 直接 測(cè) 量 如 何 才能找到以太呢 這就需要我們進(jìn)行分析 定性地 說 地球在以太中運(yùn)動(dòng) 從地球上看就好像以太在沿 相 反方 向漂移 形成 一種 以太 風(fēng) 以太風(fēng)雖 然對(duì) 于其 他物體沒有可觀察 的效應(yīng) 但影響光的傳播 因此 通過以太風(fēng)對(duì)光束傳播的影 響 可以判斷以太漂移 的情 況 定 量 地 說 假 設(shè) 地 球 相 對(duì) 以太 以速 度 l I 運(yùn) 動(dòng) 地球 上實(shí)驗(yàn) 室 中相距 為 的 A 兩點(diǎn) 與 U的夾 角為 0 如圖 1 由于以太風(fēng) 的影響 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)從 A 射向 的光束將被刮到 日點(diǎn) 假設(shè)光的傳播時(shí)間為 t 容易得到 A B 的距 離為 c t B B 的距離為 u t 由余 弦定 理可 知 c t L M t 2 L u t c o s 0 4 A U 圖 l 以太 風(fēng)對(duì)光束傳播 的影響 同理 光束從 曰到 傳 播所需 的時(shí) 間 t 滿足 條 件 e t L u t 一 2 L u t C O S 0 5 由 4 5 兩式 不難 推 出 f 一 f 2 M c s o c 一 M r 6 I t t L c 一 M 由此 可見 只要 分別 測(cè) 量 出光 在 A和 之 間 的 傳播 時(shí) 間 t 和 t 就可 以算 出地球 相對(duì) 以太 的速 率 和方 向角 0 從 而確 定 以太 上 述 理論 分 析 完 全正 確 然 而 能 否實(shí) 現(xiàn) 還要 進(jìn) 行可行 性分 析 按 照 當(dāng)時(shí) 的實(shí) 驗(yàn) 條件 只能 測(cè) 量 在 保證 一定精 度 的條件 下 出光 在 A與 B之 間來 回 的 雙程 時(shí) 間 t 而 不 能 分 別測(cè) 量 t 和 t 如 何 利用 現(xiàn) 有 的實(shí)驗(yàn)水 平來 設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn) 尋找 到 以太 還 需要 進(jìn)行 深入分 析 利 用式 6 可 以得 到 t t 4 L c 一 u 2 s i n 0 c 一 M 7 由此解 出雙 程時(shí) 間 t t t 2 L c 一 s i n c 一 u 8 然 而 測(cè)量 以太風(fēng) 需要 知 道 速 度 的 大小 u和方 向角 0兩個(gè) 量 現(xiàn)在 只有 一 個(gè)關(guān) 系式 8 怎 么 辦 從 實(shí) 驗(yàn)的角度看 我們雖然無法改變速度的大小 u 不過 可 以通 過調(diào) 整 A B 的 方 向來 改 變 角 度 0 也 就 是 說 式 8 可 以看 成是 角度 0的一 個(gè) 函數(shù) 容 易看 出 當(dāng) 夾 角 0 0 即 A B的方 向與速 度 U平行 時(shí) 雙 程時(shí) 間 取 最大 值 t d t 9一 C M 由此可 以解 出 c 2 L c t 1 0 雖然我們事先并不知道速度的方 向 但在實(shí)驗(yàn) 過 程 中可 以轉(zhuǎn) 動(dòng) A B 同 時(shí) 測(cè) 量 雙程 時(shí) 間 t 的 變化 根 據(jù)式 8 隨著轉(zhuǎn) 角 的變化 雙 程時(shí) 間 總會(huì) 出現(xiàn)最 大值 只要測(cè) 出雙 程時(shí)間 的最大值 就能夠通過式 1 0 計(jì)算 出 的大小 而雙程時(shí)間取最大值時(shí) A B 的方 向 就是 平行 于地球 相對(duì) 于 以太 的運(yùn)動(dòng) 方 向 上 面 的改 進(jìn) 方 案需 要 測(cè) 量 雙程 時(shí) 問 的變 化量 這 就對(duì) 測(cè)量 的精度 提 出了要 求 由式 8 可知 當(dāng)0 I v 2 即 A B的方 向與 速 度 u垂 直 時(shí) 雙 程 時(shí) 間 取最 小值 d 竺 1 9 1 c 一 一u 一 雙程時(shí)間的變化 A t 總不會(huì) 超過最大值 t 與最小值 t之差 即 一 2 L 1 2 第 l O期 倪致 祥 近代物理學(xué) 中重大發(fā)現(xiàn) 的再探索 連載 6 1 上式表 明要 在實(shí) 驗(yàn) 中觀 察 到 雙 程 時(shí) 間 的變 化 測(cè) 量 的相對(duì) 精度 至少 為 艿 1 一 1 一 1 3 t p c 作為估算 取 為地球繞太 陽(yáng)的速率 即 3 1 0 m s 代入上式后得到 一 1 2 c 2 0 5 x 1 0 1 4 這樣 的測(cè) 量精 度是 當(dāng)時(shí)根 本無 法達(dá) 到 的 現(xiàn)在怎么辦 在科學(xué)探究的過程 中 常常會(huì) 出 現(xiàn)各種各樣的困難 這時(shí)最重要 的是保持清醒的頭 腦 站得高才能看得遠(yuǎn) 換個(gè)角度對(duì)問題重新分析 往往 可 以在 山窮 水盡 之 處 看 到柳 暗花 明 先 前 我 們 的考慮 都是從 測(cè) 量 目標(biāo) 出發(fā) 的 結(jié) 果 遇 到 了實(shí) 現(xiàn) 的 困難 為什 么不能 反過 來 從 現(xiàn)有 的測(cè) 量手段 出發(fā) 進(jìn) 行 考慮 呢 光 是 電磁波 具有 波動(dòng) 性質(zhì) 利用 當(dāng)時(shí) 已 經(jīng) 成熟 的干涉 測(cè) 量技 術(shù) 可 以測(cè) 出 兩束 相 干 光 的 微 小 光程 差 隨著光程 差 s 的變化 干 涉條 紋 將發(fā) 生 移 動(dòng) 條紋移動(dòng)量 與光程差變化量 之間有關(guān)系 A N A s A 1 5 而光程差等于光速乘以傳播 的時(shí)間差 這樣就把 我 們 的實(shí)驗(yàn) 目標(biāo) 與測(cè)量 手段 聯(lián)系起 來 了 按 照前 面 的分析 對(duì) 于實(shí)驗(yàn) 室 中長(zhǎng)度 為 相 互 垂直 的兩條 光路 其往 返光 程之 差 s 為 s c a t d 三 墨 二 1 6 1 其 中 u c 當(dāng)方向角 0 n 1 T 時(shí) 光程差取最大值 導(dǎo) 1 7 s 一 L j l p 當(dāng)方向角 訂 w 2時(shí) 光程差取最小值 一 一 S 因此 在轉(zhuǎn)動(dòng) 過程 中 光 程差 的變 化量 可 以達(dá) 到 As s 一 2 s 對(duì)應(yīng) 的條 紋移 動(dòng)量 為 一 竿 典 型 可 見 光 的波 長(zhǎng) 為 A 6 1 0 m 干 涉 條 紋 移 動(dòng) 的觀察精 度大 約 可達(dá) 到 A N一0 0 1 參 見 梁 紹 榮 物理學(xué)史專題講座 十二講 北京物理學(xué)會(huì) 1 9 8 3 年 因此要測(cè) 出相對(duì) 以太 的運(yùn)動(dòng) A B之間 的距 離 至 少應(yīng)該 滿足 三一 2 B 一 2 1 0 m 0 3 m 1 9 一 m I m f l l 一 以上分 析提供 了設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)來 尋找 以太參 考 系 的 基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)上可以用一鍍銀 的半透光平面鏡作 為分 束器 將光源 s發(fā)出的入射光束分裂為強(qiáng)度相等 相 互垂直的兩路 如圖 2 分別在平面鏡的 點(diǎn)和 曰 點(diǎn)被反射 兩束光返 回后經(jīng)過分束器的 A點(diǎn) 在望 遠(yuǎn)鏡 E中會(huì)合 產(chǎn)生干涉 圖案 當(dāng)儀器 隨著地面相 對(duì)以太參考系以速率 u運(yùn)動(dòng)時(shí) 光線 A B A和 A B A 之間將會(huì)出現(xiàn)光程差 在儀器轉(zhuǎn) 動(dòng)的過程中光程差 發(fā)生變化 干涉條紋出現(xiàn)移動(dòng) 測(cè)量出于涉條紋的移 動(dòng)量 即可由式 1 8 推算出 由此得到速率 u c 2 三 L B E 圖 2 實(shí)驗(yàn)原理示 意圖 按 照這 樣 的原理 1 8 8 1年 邁 克耳 孫 設(shè)計(jì) 了測(cè) 量 以太漂移的實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn) 中取 L 1 2 m 預(yù)期 最大條 紋移動(dòng)量為 一0 0 4 可是未觀察到條紋的移動(dòng) 對(duì)此 當(dāng)時(shí)其他物理學(xué)家感到非常詫異 對(duì)測(cè)量結(jié)果 的可靠性產(chǎn)生了懷疑 后來邁克耳孫與莫雷合作 改 進(jìn) 了實(shí) 驗(yàn)設(shè)置 取 波長(zhǎng) A 5 8 9 1 0 m 的鈉光 為光 源 利用 多次 反射 的方 法 將 光 路 延 長(zhǎng) 到 1 1 m 用 大石板作為干涉儀的底座放置在水銀池 內(nèi) 既能防 止環(huán)境振動(dòng)的影響 又便于進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)操作 以地球運(yùn) 動(dòng)速度作為 u的估計(jì)值 推算 出條紋移動(dòng)量可 以達(dá) 到 A N 0 4 但實(shí)驗(yàn)中還是沒有發(fā)現(xiàn)干涉條紋的移 動(dòng) 換句話說實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為 0 3原 因的探索 邁克 耳孫 和莫 雷 的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果與 理論 預(yù)期完 全相 反 當(dāng)時(shí)的物理學(xué) 家都感到意外 問題 究竟 出在哪 里 應(yīng)該如何來解釋這個(gè)結(jié)果 成為擺在人們面前的 一 項(xiàng)重要任務(wù) 為此 物理學(xué)家們進(jìn)行大膽的猜測(cè) 會(huì) 不 會(huì)地 球 與 以 太 之 間 沒 有 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 即 g 0 這意 味著地 球就 是 宇宙 的中 心 這種 可 能 性 在 哥 白尼以后就被大量實(shí)驗(yàn)所否定了 然而 地球相對(duì)以 太運(yùn)動(dòng) 就像 火車 相對(duì) 于地 面運(yùn)動(dòng) 會(huì)不 會(huì)帶 動(dòng)表 面 的以太空氣一起運(yùn)動(dòng)呢 如果是這樣 盡管地球相 6 2 大學(xué)物理 第 2 9卷 對(duì)于以太在運(yùn)動(dòng) 但實(shí)驗(yàn)室相對(duì) 于地球表面的以太 來 說卻是 靜止 的 這 個(gè)假設(shè) 雖然 有一定 道理 也 可 以 說明邁克耳孫和莫雷實(shí)驗(yàn) 的零結(jié)果 但其正確性還 需要得到旁證 按照 這 個(gè)假 設(shè) 運(yùn) 動(dòng) 物體 表 面 的 以太被 拖 曳 而 隨著 物體一 起運(yùn) 動(dòng) 而 遠(yuǎn)處 的 以太 則保 持 著 原 有 的 狀 態(tài) 由此必 然會(huì) 引 出一個(gè)結(jié) 論 隨著與 運(yùn)動(dòng) 物體距 離 的增 加 以太風(fēng) 出現(xiàn)一 個(gè)速 度梯度 如何 來檢 驗(yàn)這 個(gè) 假設(shè) 呢 我們先 進(jìn) 行 理論 分 析 假 設(shè) 物 體 運(yùn) 動(dòng) 的 速 度為 而以太 被拖 曳后 的速度 為 u k v 其 中 k為 拖 曳系數(shù) 它 隨著與 物體 的距離 而變 化 在 物體 的表 面附近 k 1 光在物體運(yùn)動(dòng)方向上傳播路程 J 對(duì)應(yīng) 的光程為 s L c c u L 1 3 反方向傳播的光 程 為 s 一 L c IZ 1 3 因物體 的拖 曳而造 成 的光 程差 為 南一 南 這將對(duì)相干光束引起一個(gè)大小為 A s A一2 k v L A c 的條紋移動(dòng) 根 據(jù)條紋 移 動(dòng) 的測(cè) 量精 度 至少要 求 2 k v L A c 0 0 1 以可見光為光源時(shí) 大約 k v L 1 大圓盤 的轉(zhuǎn)動(dòng)是在實(shí)驗(yàn) 室里達(dá)到高速 的常用 方法 距 離物體 足夠近可 以保證有一個(gè) 較大 的拖曳 系數(shù) 多次 反射可以增大傳播路程 L 1 8 9 2年英國(guó)物理學(xué)家洛奇 做 了一 個(gè) 鋼 盤 轉(zhuǎn) 動(dòng) 實(shí) 驗(yàn) 他 把 兩 塊 相 距 1 i n 1 i n 0 0 2 5 4 m 直徑為 3 f t 1 f t 0 3 0 4 8 m 的鋼盤平行 地安裝在 電機(jī) 的軸上 將一束光線 經(jīng)分束 器分成 相干 的兩路 分別沿相反方向 繞四方框架在鋼盤之問走 3圈 再會(huì)合 于望 遠(yuǎn)鏡 產(chǎn) 生 干涉 條 紋 在 鋼 盤 由靜 止 到高速旋轉(zhuǎn)的過程 中 由于以太被拖曳 兩路光線的 光程差會(huì) 出現(xiàn) 變化 造成 干涉 條紋 的移 動(dòng) 由此 可 以 推算出拖曳系數(shù) k 然而 實(shí) 驗(yàn) 的結(jié) 果表 明 以太被轉(zhuǎn) 盤攜帶 的速度 不 大 于 圓盤 速度 的 1 8 0 0 這 與 原先 的假設(shè) 矛盾 另一 方 面 以太 被拖 曳的假 設(shè) 與恒 星 的 光行差 現(xiàn)象也相 沖突 地球 與 以太 間相 對(duì)運(yùn) 動(dòng) 的影響會(huì) 不會(huì) 被某 種未 知 的物 理效應(yīng) 抵 消 了 考慮 光 束 在 長(zhǎng)度 相 同 相 互 垂 直 的兩個(gè)方 向上 的來 回運(yùn)動(dòng) 按 照 前面 的分析 相 應(yīng) 的光程 分別 為 s c t 2 L 1 3 s c t 2 L 1 3 2 1 什么效應(yīng)能在 3 0的條件下使 s 一 呢 從物理上 考慮 物體 在受 力 的時(shí)候會(huì) 被壓縮 因此 我們 猜想 在 相對(duì) 以太運(yùn) 動(dòng) 的方 向上 物 體 受 到 以太 風(fēng) 的壓 力也 應(yīng)該被 壓縮 要 使 式 2 1 中 的兩 個(gè) 光 程 相 等 壓 縮 后 的長(zhǎng) 度必 須滿 足關(guān) 系 1 3 l 1 一 I I 2 2 厶 這樣 就 可 以解 釋邁 克耳 孫和 莫雷 實(shí)驗(yàn) 了 這種 長(zhǎng) 度 收縮 的假 設(shè)具 有 明顯 的缺 陷 因?yàn)樗?要求 任何 材料 的支 架 都 必須 按 照 同一 比例 收縮 這 就使人 們很 難理 解疏 松 的木材 為什 么不 比堅(jiān)硬 的鋼 鐵多 收 縮 一 些 呢 但 由于 相 對(duì) 收縮 量 6 A L L 1 0 5 1 0 非 常 小 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 小 于 通 常 長(zhǎng) 度 測(cè) 量 的 二 精度 與已知實(shí)驗(yàn)并不直接沖突 物理學(xué)家不愿意輕 易 放棄 然 而 要 作 為科 學(xué) 的 理 論 必 須經(jīng) 過 實(shí) 驗(yàn) 的 嚴(yán) 格檢 驗(yàn) 問題 是 怎樣 才能 測(cè) 量 到 這種 變 化 極 其 微 小 的長(zhǎng)度 收縮 呢 第 一 被 測(cè) 物 理 量 的精 度 至 少要 能夠到達(dá) 1 0 量級(jí) 第二 長(zhǎng)度的收縮必須能夠引起 該物 理量 的變化 在 當(dāng)時(shí) 測(cè)量 精度 最高 的是光 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 可以達(dá)到所要求的精度 而長(zhǎng)度的收縮是單方向 的效應(yīng) 應(yīng)該會(huì)引起 物體 的變形 基于這樣 的分析 一 個(gè)較 自然的選擇是利用透明體形變所產(chǎn)生的雙折 射 現(xiàn)象 來進(jìn) 行 實(shí) 驗(yàn) 1 9 0 2年 瑞 利 用 水 和 亞 硫 酸 氫 碳作媒質(zhì) 進(jìn)行了雙折射實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)精度可達(dá) 1 0 然 而未 能觀察 到 預(yù)期 的雙折 射現(xiàn) 象 兩年后 美 國(guó)的 光學(xué)專家布雷斯以更高的精度重復(fù)了瑞利的雙折射 實(shí)驗(yàn) 也沒有觀察到雙折射 與此 同時(shí) 其他物理學(xué) 家也 設(shè)計(jì) 了一 系列 類 似 的 實(shí) 驗(yàn) 均 未測(cè) 量 出長(zhǎng) 度 的 收縮 至此 有人 還不 甘心 又將 已經(jīng) 被雙 星觀察 所否 定 了的發(fā) 射理 論 即光 速 與 發(fā) 光 體 的 速度 有關(guān) 拿 了出來 試 圖解 釋邁 克耳孫 和莫 雷 實(shí)驗(yàn) 這 樣雖 然可 以勉強(qiáng)說明零結(jié)果 但遭到了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的否定 剩下 的 唯一 可 能是 虛 空 中 的光速 與參 考 系無 關(guān) 為 一個(gè)普 適 的常 量 而 以太 只是 一 種 人 為 的慣 性 坐標(biāo) 系 雖然 這 個(gè)結(jié) 果 與 伽利 略 變換 相 沖 突 當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家?guī)缀醵疾辉敢庀嘈?但是在實(shí)驗(yàn)面 前 誰(shuí) 也無法 否認(rèn) 4問題 的謎底 邁 克耳孫 一 莫雷 實(shí) 驗(yàn) 的零 結(jié) 果 說 明 了真 空 中 的 光速 不 隨參考 系變 化 有 力 地 支 持 了 麥克 斯 韋 的猜 想 電磁 場(chǎng) 理論 在 任何 慣 性 系 中 都是 正確 的 然 而要 證 明這一 點(diǎn) 還 需 要 驗(yàn) 證 電磁 場(chǎng) 規(guī) 律 在 不 同慣 性 系之 間的變換 下 能夠保 持不 變 顯 然 電磁場(chǎng) 規(guī)律 在伽 利略 變換下 不 能保 持原 來 的形 式 要 想確 保 電 磁場(chǎng) 規(guī)律 的 數(shù) 學(xué) 形 式 不 變 可 能 的 坐 標(biāo) 變 換 又 是 什 么 第 l O期 倪致祥 近代物理學(xué)中重大發(fā)現(xiàn)的再 探索 連載 6 3 要尋找一個(gè)新的規(guī)律 最好的方法是先從具體 的例子 中發(fā) 現(xiàn)線 索 我們 假 設(shè) 在 地 球參 考 系和 以太 參 照系 之 間存 在 一種 不 同于 伽 利 略 的新 變 換 關(guān) 系 可以使 電磁場(chǎng) 理論 的形 式 例如 方 程 2 保 持 不變 不 失一 般性 設(shè) 兩個(gè) 參考 系 的坐標(biāo) 變換 關(guān)系 為 然 而無論 怎樣 選取 函數(shù) f t 在上 述 變 換 下 方程 2 都不可能保持原來的形式 出路在 哪里 俗話 說 后退 一步 天地 寬 在 一般 情況下 能夠使 方程 2 保持不變的數(shù)學(xué)變換總是 存在 的 例 如 簡(jiǎn) 單 的線 性 變換 tt csin h x 2 4 就可 以做 到這 一 點(diǎn) 然 而 從 物 理學(xué) 的角 度 看 這 意 味著 f t 即兩個(gè)相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系之 間 時(shí) 間不 可 能保 持 同步 換 句 話 說 時(shí) 間也 具 有 相 對(duì)性 這 怎么可 能 呢 難道 真 的存 在 地 下一 天 天 上一 年 的現(xiàn) 象 對(duì) 這 種 違 背 常識(shí) 的 問 題 許 多 人 持否定的態(tài)度 然而 科學(xué) 的態(tài)度卻 不是簡(jiǎn)單地否 定 而是反過來問一問 憑什么要求兩個(gè)不同參考 系 內(nèi)的時(shí)鐘保 持完 全 同步 有 什 么科學(xué) 證據(jù) 嗎 我們可以在固定參考系中定義時(shí)間 t 也可以在 運(yùn)動(dòng)參考系中定義時(shí)間 t 如果要定義一個(gè)統(tǒng)一 的 絕對(duì)時(shí)間 就需要通過對(duì)鐘來保證兩者之 間的同步 但是對(duì)鐘需要在相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)參考系之間傳遞信 號(hào) 信號(hào)傳遞的速度不是無窮大 精確的對(duì)鐘就必須 測(cè)量出信號(hào)傳遞本身所花費(fèi)的時(shí)間 而在對(duì)鐘完 成 之前 這個(gè) 時(shí)間是 沒法 測(cè)量 的 經(jīng)過深人分析 愛因斯坦發(fā)現(xiàn)沒有任何實(shí)驗(yàn)支 持 時(shí) 間的絕對(duì) 性 兩個(gè) 不 同慣 性 系 中 時(shí) 間的 同步 只 是一個(gè)約定 而不是科學(xué)事實(shí) 一旦擺脫 了 t t 這個(gè) 同時(shí)性 約定 就 可 以證 明 電磁 場(chǎng) 理 論一 樣 能 夠 滿足相對(duì)性原理 絕對(duì)時(shí)間的觀念影響了人們對(duì)物 理 世界 的認(rèn) 識(shí) 這 就是 整個(gè) 問題 的謎底 叁考文獻(xiàn) 1 郭 奕玲 沈慧君 物理 學(xué)史 M 2版 北京 清華 大學(xué) 出版 社 2 0 0 5 1 6 4 1 7 3 2 張 元 仲 從 牛頓 力 學(xué) 到 狹 義 相 對(duì)論 J 物 理 2 0 0 2 4 1 9 3 3 趙 展 岳 相 對(duì)論 導(dǎo) 引 M 長(zhǎng) 春 吉 林 人 民 出版 社 1 98 2 8 1 1 4 盧 德馨 大學(xué) 物 理學(xué) M 2版 北京 高等 教育 出版 社 2 0 0 3 3 8 0 5 郭 奕玲 沈 慧君 著名 經(jīng)典 物理 實(shí)驗(yàn) M J 北 京 北 京 科技 出版社 1 9 9 1 6 愛 因斯坦 愛 因斯 坦文 集 第 2卷 M 范岱 年 趙 中 立 許 良英 編譯 北 京 商務(wù)印書館 1 9 7 7 8 3 1 1 5 Re s e a r c h i n g Et h e r NI Z h i x i a n g S c h o o l o f P h y s i c s a n d E l e c t r o n i c S c i e n c e F u y a n g T e a c h e r s C o l l e g e F u y a n g An h u i 2 3 6 0 4 1 C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s pa p e r we i n t r o d u c e t h e b a c k g r o un d t o t he Et he r d r