|
写这篇文章目的请大家讨论。因为我想投稿。另请李子丰先生的研究生帮我翻成英文，不知可否？ 迈克尔逊——莫雷试验原理中的一处疏漏 叶 波 内容提要：本文用牛顿力学的理论提出了相对运动中的真运动和假运动的新观点，论述了真运动和假运动在动力学方面是完全不同的。托勒密的地心说是混淆了假运动和真运动。迈克尔逊也犯下了和托勒密同样的错误，他把作假运动的以太风当成了作真运动的以太风，从而无法解释试验中的零结果，这是迈克尔逊——莫雷试验原理中的一处疏漏。由于从根本上解决了这一疏漏，试验中的零结果能简单合理地解决，作假运动的以太风与光行差中的静止以太完全是一致的，没有任何矛盾。在经典力学的框架内给迈克尔逊——莫雷试验的零结果一个新的解释。 关键词：真运动 假运动 以太 以太风 光行差 洛仑兹曾经说：“在迈克尔逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？”答案是肯定的，的确有看漏的地方。这个看漏的地方很简单，它与运动的概念密切相关。 自古以来，就有运动的概念。其实，运动就是看物体对参照物动了没有，动了，该物体就运动了。判别动还是没动的是眼睛，严格地说，眼睛判别的运动只不过是相对运动。因为选定不同的参照物，同一物体的运动状态是不相同的，甚至是静止的。相对运动中有真运动与假运动之分，大多数人对此并不看重。长期以来，他们顽固地坚持“眼见为实”的常识，只要眼睛看见的就一定是真实的。但“常识”屡屡被证明不一定总是正确的。 所谓的真运动是指物体本身确实在运动着，而不管眼睛看没看到。例如物体受一合力F作用就会作加速运动，F=ma，有力F就有加速度a，就有加速运动。物体受力运动、惯性运动、波动和热运动等都是真运动。与真运动相对的是假运动，它只是物体在人的视觉上的运动，物体本身并不运动。严格地说，它是人眼睛的一种错觉。在地面上看铁轨上行驶的火车是真运动，火车明明在运动着，但在火车上的人却看到火车是不动的，而是地面在倒退。所以地面的倒退一定是假运动。 真运动和假运动从运动学的角度上看，它们都在动，只是运动方向相反，似乎没有区别。但是从动力学上看它们却是完全不同的。有以下两点理由。 1、 物体假运动的速度不能作为其动能的计算依据 设质量为m的火车的真运动速度是v，它的动能是1/2mv²。在火车上看地面的假运动速度大小也是v，地面是和地球固连在一起的，如果地面的质量（也就是地球的质量）是M，因为火车的开动，从理论上讲地球所具有的动能应该是1/2Mv²。但m比M小得可忽略不计，从能量守恒定律的观点来看，地球因火车的开动具有这么大的动能是非常荒唐的。火车的动能和地球的动能都是由火车的牵引力和其反作有力作功而产生的。对火车来说，这个牵引力只能使火车的能增加到1/2mv²，其后牵引力就完全用来克服阻力。作用力和反作用力相等，与火车牵引力相反的力便是地球获得动能的力，因此，这个牵引力给地球的动能的增加也只能等于1/2mv²。于是，地球假运动的速度是v，就不能说它具有动能1/2Mv²。 2、假运动的速度不适用经典力学动能定理 经典力学动能定理为：合外力对物体所做的功W，等于该物体的动能增量Ek 。公式为： W = Ek = m（v2² -v1²）/2 设一合外力对某质量为m1的物体做功为W，并使它在S系中从静止加速到v1，则有：W = m1 v1²/2…………………(1) 设S’系相对S系以速度U运动，显然该物体在S’系中的初速度就为-U，末速度就为v1-U。如果经典力学动能定理在这里也适用的话，则有： W’= m1 [（v1-U）² - U²]/2 = m v²/2 – m1v1U……………(2) 比较(1)与(2)，W’比W少了m1v1U。也就是说，在S’系统中，经典力学动能定理是不适用的。 问题在什么地方呢？外力对某质量为m1的物体做功使物体从静止加速到v1，这里v1是真运动的速度。设S’系相对S系以速度U运动，该物体在S’系中的初速度就为-U，这里的-U是假运动。从上面我们可以看出：假运动的速度不适用经典力学动能定理。 人的眼睛无法判别真运动和假运动。以至目前许多人把它们混为一谈。例如，我们每天看的太阳东升西落的运动是人眼睛的一种错觉，它是以地球为中心的一种假运动。托勒密根据这种错觉建立了地心说，并逐渐为大多数人所接受。一千多年后哥白尼终于知道地球绕太阳为中心的运动才是真运动，建立了日心说。这是托勒密等人犯下的一个大的错误，花了几千年的时间才纠正过来。为此，布鲁诺丢掉了性命。 现在再来说一个真运动和假运动不分的到目前为止仍然鲜为人知的事例。我们知道，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。造成这颗明星殒落的根本原因是迈克尔逊——莫雷试验的零结果。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。于是迈克尔逊——莫雷试验的零结果无情地否定了“以太风”。又因为人们认为，既然没有“以太风”，那当然也就没有“以太”了。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。最后只好依依不舍而又无可奈何地抛弃了“以太”。在这里先不谈别的，只谈迈克尔逊——莫雷试验的零结果。在真运动和假运动问题上，迈克尔逊犯下了和托勒密同样的错误，理由如下。人们从光行差现象中得出这样的一幅图象：以太相对于太阳静止，地球以30公里/秒的速度在静止的以太中穿行。 迈克尔逊为了证实以太的存在，他想：站在太阳上地球在以太中穿梭，按照相对运动的观点，站在地球上不就有与地球运动方向相反的以太风吗？于是设计了一个类比的试验，原理是这样的：他把光比作船，把以太风比作河流，用船来回横渡比作光在干涉仪垂直臂上来回传播，用船上下往返比作光在干涉仪水平臂上往返传播。如果设流水速度为V，两船在静水中的速度为u，两船行驶的单程距离均为L，用中学的数学知识可以得到，来回横渡2L的船与上下往返2L的船所用的时间是不相等的。 按照同样的道理，光在垂直臂上来回传播与光在水平臂上往返传播的时间也不相同，而有一个时间差。如果将仪器转动90度，这个时间差会增大一倍，利用试验中的各种具体数据，通过理论计算，在屏幕上就可以看到光的干涉会移动0.4个条纹。迈克尔逊企图通过这0.4个条纹移动来证明以太风的存在，从而证明以太也存在。 我们先不谈试验的结果，先来分析一下迈克尔逊试验的原理中的一处疏漏。 我们知道，船在流水中运动有两种，即使船无动力，它也会随水的流动而一起运动；船有牵引动力，船可以在静水中行驶。流水运动归根结底是由万有引力引起的，它是真运动。船的动力牵引运动当然也是真运动。 我们知道，地球受太阳的万有引力绕它们共同的质心运转，由于地球的质量与太阳相比要小很多，这个质心落在太阳上，实际上地球是在绕太阳运转。因为以太对太阳保持静止，地球是在静止以太中穿行。由于地球的运动是真运动，在地球上看对太阳保持静止的以太的运动就是假运动。于是在迈克尔逊——莫雷试验中光的波动是真运动，以太风是假运动。迈克尔逊用光比作船，这没问题，它们都是真运动；但用以太风比作河流就不对，因为流水是真运动，以太风是假运动。一个严重的问题出现了：因为真运动和假运动在动力学上是不同的，而流水和以太风在这里正好是动力学方面的问题。作真运动的流水能与船发生碰撞使船与其一起运动。作假运动的以太风不会和光发生碰撞而使光运动。无论地球的速度有多大，以太风都不能使光发生任何运动！光在垂直臂上来回传播与光在水平臂上往返传播的时间也就永远相同。从而不会有任何干涉条纹的移动。迈克尔逊的设计原理就有这样的一处大疏漏！ 有人会说：在火车上把头伸出窗外，空气不是也会和人脸发生碰撞吗？严格地说，人被火车带动，火车和人的运动是真运动，是人脸去碰撞空气，不是空气碰撞人脸。而且这种碰撞仅仅发生在火车表面附近，离火车稍远一些这种碰撞就会消失，而流水和船的碰撞无论在多远的地方都是存在的。同时，水流在不太长的时间里能带动船和它一起运动，以太风在几十亿年的时间里都不能带动地球和它一起静止。所以，流水和以太风是不可以相提并论的。特别地，到目前为止我们还不知道以太是普通流体呢还是超流体，如果以太是超流体，以太和地球之间就没有粘滞力和摩擦阻力，以太风丝毫不能带动地球。这与空气是普通流体又是完全不同的。 实际上，迈克尔逊——莫雷试验的原理应该是这样的：光可以类以比船，以太风只能类比水不流动的静水河。因为水没有运动与以太风是假运动的本质是相同的。迈克尔逊的设计原理是这样的才更加合理。 由于有水流，船来回横渡和上下往返的时间才不相等；同样的道理，只有作真运动的以太风，光在垂直臂和水平臂传播的时间也才不相等。如果没有水流，船来回横渡和上下往返的时间就会相等；同样地，迈克尔逊的以太风是作假运动的以太风，或者说它是虚拟的以太风，在这种以太风中，光在垂直臂和水平臂传播的时间永远相等。所以永远没有干涉条纹的移动！这与试验的结果正好相同。 迈克尔逊试验中的零结果问题就这样简单地解决了，作假运动的以太风与光行差中的静止以太完全是一致的，没有任何矛盾。 在迈克尔逊先生的实验中，迄今还有一个仍被看漏的地方。它就是迈克尔逊的以太风是作假运动的以太风，但他把作假运动的以太风当成了作真运动的以太风。 在物理学发展史中，迈克尔逊——莫雷试验曾经起到过举足轻重的作用。可是，有谁会想到过它的原理中竟有这样大的一处疏漏！ |