我提供一些关于光行差的详细汇总的历史资料。因为时间有限,加上不会贴公式,所以文章写得很简单。希望大家给予补充。
光行差的解释的过程就是以太理论消亡的过程。单单解释光行差不是什么难题,关键是提出的假设必须与其他的理论协和。我们知道越多,限制越多,越难想提出一个与已知理论协和的理论。从光行差的历史,我们可以看到近代物理界如何一步一步去伪存真,小心翼翼,大胆假设小心求证,最终胜出相对论。
请广大的科学爱好者不要着急提出自己的理论,先全面地研究一下前人的理论。请那些以太支持者在掌握全面资料的基础上,重新审视一下自己的观点。
1727 年James Bradley在研究星视差stellar parallax的时候,偶然发现了光行差现象。他虽然发现星星的位置是周年变化的,但是位置变化不符合视差理论。位置变化最大的是垂直赤道平面的星星。变化以3个月为周期。
基于光粒子的解释及问题 James Bradley以太阳为参考系,用地球和光的相对运动成功解释了光行差。这个解释有两个前提:1 光速是有限,对于太阳是C,不是当时人们认为的无限大。2 光是粒子流,不需要媒介以太。 但是这个解释有个问题:如果光是粒子,那么他的速度应该与光源有关。可是James Bradley在解释光行差的时候没有考虑光源速度。当时也没有试验证明光速与光源有关。这个问题一直悬着,直到电磁学发展,人们开始用波和以太来解释光,抛弃了粒子观念。
基于波的原始解释及问题 人们提出以经典的静止的以太为参考系(抛弃了太阳),地球和光都相对以太运动,光速对于以太恒定。这样得出的公式与James Bradley的公式吻合,而且解释了为什么不用考虑光源的速度。 但是这个解释还是有问题: 1,与电磁学Maxwell's equations矛盾:简而言之,Maxwell认为光波是planewave,可是上边的解释是将光波进行了伽利略变换,使得光波对于地球系不再是planewave,而是slanted。
2,望远镜灌水 改良后的光行差公式tan(q) = v/c。这个公式的前提是纯以太。可是我们实际观察星空时要透过大气,因此必然要考虑大气影响。上述公式应该改为tan(q) = nv/c,n代表折射率。根据这个新公式,如果我们望远镜灌水,水的折射率为1.33,我们应该可以观测到更大的星行差,可是试验与预期相反,没有任何变化。
历史上的著名假设 鉴于基于波的原始解释存在的问题,使得人们开始尝试新的办法解释光行差,对于以太产生了各种各样的猜想。
1818 年Fresnel解决了望远镜灌水的问题,他提出了一个著名的假设。他认为以太可以被介质拖动。折射率越高的介质,拖动以太越明显。他的以太拖拽速度公式为 (1 - 1/n2)v。因为大气的折射率很低,所以不会拖动以太,仍然存在以太风。水的折射率大,拖动以太比较明显,两者相互抵消。这个假设天才地解释望远镜灌水,但是根据Fresnel的假设公式继续推会发现不同频率的光需要不同的以太。这使得Fresnel的假设的意义大打折扣。
洛仑兹是经典以太的坚决拥护者。他通过电磁学的研究,提出了当地时间的假设。并用时间收缩来解释光行差。这就是著名洛仑兹变换的前身。洛仑兹指出Fresnel的假设和自己的时间收缩的假设在公式上渐合。只不过是公式的物理解释不同。
Stokes(董银力最近力捧的一个人)也提出的一种猜想。因为以太不能旋转,不具有粘性,不能压缩(黄德明的观点),所以以太可以被地球拖动,以太在地球表面和地球一起动。光在穿过以太层到达地球表面时不断地偏斜(deflection)。这样至少可以近似地解释光行差。洛仑兹认为Stokes的理论有自相矛盾的地方:球体表面的潜在的flow field对于球体的速度并不为0。这样会有地球表面以太风在各点速度不同,导致地球上各点的光行差不一致。
Planck(发明普朗克常数的那个人)为了绕过洛仑兹的反驳有提出了另外一种假设。假设以太可以压缩,越接近地球表面浓度越大。这样解决了Stokes 假设存在的问题。尽管这个想法更荒谬,洛仑兹起初也认为是一个解决问题的好办法。但是后来洛仑兹发现无法保证光在经过高浓以太时速度不变。洛仑兹说:解决光行差问题,没有假设是不行的,因此我们从来不急于否定任何假设。但是要同时保住光速不受影响,又要保证以太的浓度可变,这是无法令人满意的。
以太的消亡。 Stokes的以太拖拽理论的失败,只剩下了Fresnel的介质拖拽理论和洛仑兹的时间收缩理论,尽管他们看上去都很荒谬。这两种理论全都承认会有以太风。但是Michelson-Morley experiment对上述的假设是一个致命的打击。最终洛仑兹引入了 Fitzgerald的长度收缩理论解释MM试验,完成了全部的洛仑兹变换。至此以太丧失了全部的机械性质。1905年爱因斯坦在不用以太的情况下也导出了洛仑兹变换,并成功地用相对论解释了光行差。
后话 洛仑兹变换的最终完成与庞嘉伦的帮助分不开。庞嘉伦帮助洛仑兹解释了变换中的常数V。虽然洛仑兹变换是相对论的基石,洛仑兹始终认为爱因斯坦功劳最大。庞嘉伦和爱因斯坦似乎有些矛盾。庞嘉伦始终闭口不认爱因斯坦,不提相对论,只提洛仑兹是近代物理的奠基人。洛仑兹,一个坚定的以太支持者,千方百计地想保住以太。可是他为以太设计的护身符--洛仑兹变换却成为了导致以太消亡的最后一颗子弹。 |