|
第三章 微粒说死灰复燃一、第一朵乌云：迈克尔逊——莫雷试验“十九世纪初，人们认为一切波的传播必须依赖媒质，波的传播速度就是以这种媒质作为参照物。由麦克斯韦方程组可知，光的传播媒质就是以太，光的速度就是光在静止以太中的传播速度。因此，以太的存在性就成了一个极为重要的事情。在十九世纪最后的十多年里，“以太”理论成了物理学中极为灿烂的一颗明星。人们设想自然界中所有的力和作用全都靠“以太”形成。“以太”与原子并列，被看成是宇宙的基本构成要素。 以1900年为分界线，“以太”这颗明星便开始殒落。当时，一方面，为了说明物体在“以太”中运动丝毫不受阻力，必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多；为了说明为什么电磁波是横波，并以极大速度传播，又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性，这是不可思议的。另一方面，固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波，但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。然而，从十九世纪末到二十世纪初，人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论：从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从斐索流水试验的结果来看，物体是部分带动“以太”；但是从人们精心设计的迈克尔逊—––莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁，仍然无法解决这一矛盾。按照开尔文勋爵的意见，这就是物理学上空的第一朵乌云。 根据光行差现象，地球以30公里/秒的速度在静止的以太中穿行。因此，在地球上就能感受到“以太风”。就象在汽车前进时，头伸出窗外有风一样。人们千方百计企图测出“以太风”，并以此来证实以太的存在。1881年，迈克尔逊（A.A.Michelson）用他所发明的一种空前灵敏的仪器——迈克尔逊干涉仪来测量地球相对于以太的运动，也就是“以太风”。这是一个极为重要的试验，为了容易明白历史上原本的观点，我们用一个简单的类比来介绍迈克尔逊—莫雷实验。 迈克耳孙当时是美国安那波利斯(Annapolis)海军学院的一生产发达的优越条件，创造性地进行了干涉仪实验。光路如光源S发出的光，经半透射的45度镀银面M，分成互相垂直的两束光1和2。透射光束1经反射镜M1反射，返回M后再反射到望远镜T中；反射光束2，经反射镜M2反射后也返回M，再穿过M到达望远镜T。两束光在望远镜中发生干涉。也就是说将来自光源的光用半透镜分成互相垂直的两路，各自在一定距离的镜子上反射，使返回的两路光线通过半透镜再次平行，然后观察所产生的干涉条纹。实验装置放在十字形的托架上，整个装置可以在支柱上旋转。开始，托架的一臂朝东西方向，然后旋转90度，这时再观察干涉条纹的移动。根据迈克尔逊的计算，干涉条纹应该有o．04倍条纹宽度的移动。但是在1881年所进行的实验中没有看到那样的移动。 迈克尔逊—莫雷实验的设计思想是这样的：固定在实验室中的测量装置仿佛是“河岸”，漂移着的“以太风”类似于“河流”，相对于以太以恒定速率传播的光波相当于“小船”。于是，相互垂直的两束光往返于同样距离所需的时间差异，就是“以太漂移”的表现。用一面半镀银的半透镜形成两束相互垂直的光束，其中一光束沿垂直于以太风的路径射向一面镜子另一光束则沿平行于以太风方向的路径射向另一面镜子。整个光学装置使两束光反射后回到同一观察屏上产生干涉现象，然后旋转90度，这时再观察干涉条纹的移动。 不过，这次实验的精度还不够高，数据计算也有错误。1881年冬，巴黎的波蒂埃指出了计算中的错误(估计的效果比实际大了两倍)，洛伦兹在1884年也指出了这些问题。因此，无论迈克耳逊还是其他人，都没有把这次实验看作是决定性的。迈克耳逊本人此后也将兴趣转移到了精密测定光速值，对1881年的实验进行改良的工作就这样搁置下去了。 1884年秋，威廉·汤姆逊访问美国，他在巴尔的摩作了多次讲演。到会听讲的迈克耳逊有机会会见了与汤姆孙一起访美的瑞利勋爵，他们就1881年的实验交换了意见。与此同时，瑞利也转达了洛伦兹的意见。瑞利的劝告给迈克耳逊以极大的勇气，他进一步改进了干涉仪，和著名的化学教授莫雷一起，于1887年7月在克利夫兰重新进行了实验。 为了维持稳定，减小振动的影响，迈克耳逊和莫雷把干涉仪安装在很重的石板上，并使石板悬浮在水银液面上，可以平稳地绕中心支轴转动。为了尽可能增大光路，尽管干涉仪的臂长已达11米，他们还是在石板上安装了多个反射镜，使钠光束来回往返八次。根据计算，这时干涉条纹的移动量应为0.37，但实测值还达不到0.01。 试验结果仍然是否定的。迈克耳逊和莫雷认为，如果地球和以太之间有相对运动，那么相对速度可能小于地球公转速度的1/60，肯定小于1/40。他们在实验报告中说：“似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。” 1887年实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的，而且在很长一段时间内依然如故。人们并没有认为该实验是判决性的，就连迈克耳逊自己对他的结果也大失所望，他称自己的实验是一次“失败”，以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性)，不愿再进行长期的观察，而把干涉仪用来于其他事去了。 迈克耳逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义，他觉得实验之所以有意义，是因为设计了一个灵敏的干涉仪，并以此自我安慰。直到晚年，他还亲自对爱因斯坦说，他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物”，他实在是有点懊悔的。 洛伦兹对迈克耳逊实验的结果也感到郁郁不乐，他在1892年写给瑞利的信中说：“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛盾，不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，……我们就根本不会有一个合适的理论了”。洛伦兹对1887年的实验结果依然疑虑重重：“在迈克耳逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？” 瑞利在1892年的一篇论文中认为：“地球表面的以太是绝对的静止呢，还是相对的静止呢？”这个问题依然悬而未决。他觉得迈克耳逊得到的否定结果是“一个真正令人扫兴的事情”，并敦促迈克耳逊再做一次实验。威廉·汤姆孙直到本世纪开头还不甘心实验的否定结果。
|