葛兴：

1881年，迈克尔逊（A.A.Michelson）首次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实验。

       假定在一个段宽度为L的平直河道上有两艘小船A和B，河水的流速为u，两船相对于水有相同的速率V。船A从一岸横渡到正对岸然后返回出发点；船B平行于河岸向下游驶过距离L然后返回出发点。可以想像，由于水流对两船的影响不同，它们往返同样距离所需的时间是不同的。现在就让我们来计算每一船来回所需的时间吧。

我们首先考虑垂直于河岸的A船的情形。为了实现正对对岸过河，必须使船头斜向上游前进。船速（相对于河水来说）沿上游方向的分量等于-u，以抵消河水流速u, 剩下的分量V′作为A船横渡的净速。这些速率的关系为：

V²=V′ ²+u²

所以A船过河的实际速率为：

V′=√V²-u²)=V√(1-u²/V²)  

因此，A船过河的时间是L除以速率V′。此外，由于回程也要用完全相同的时间，故总的来回时间 ：

T=2L/ V′=2L/ V√(1-u²/V²)  …………………………………………(1)

       平行于河岸的B船的情形有些不同，当它顺流而下时，它相对于河岸的速率为V+u，因而它向下游航行距离L的时间为L/V+u。然而，在它回程时，相对于河岸的速率却减为V—u，因此，它回到上游出发点需要较长的时间为L/V—u。总的来回时间t等于这两段时间之和，即：

t=(L/V+u)+( L/V—u)=2L/[V (1-u²/V²)]………………………………(2)

       迈克尔逊—莫雷实验的设计思想类似于上述思路。在他们的实验中，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。具体的实验装置是用一面半镀银的半透镜子形成两束相互垂直的光束，其中光束A沿垂直于以太风的路径射向镜子A，光束B则沿平行于以太风方向的路径射向镜子B。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。   

宗荣：

我们知道，如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，它们在到达观察屏时就有相同的位相，干涉的结果是形成最亮的明亮视场。如果光程差不是波长的整数倍，则这两束光在屏上有不同的位相，干涉的结果是强度发生变化。在实际的实验中，镜A和B可以是不完全垂直的，结果在光束中相邻光线的光程差稍有不同，以致在观察屏上出现明暗相间的干涉条纹。如果仪器中随便哪一束光的光程相对于另一束光的光程发生变化，则整个光束产生相同的位相变化，于是在两束光叠加的范围内干涉条件产生一致的变化，在观察展屏上显示出干涉条纹整个地移动。

       如果路径A和B取一样长（实际上正是这样做的），那么两束光的光程是不是一样呢？如果假定光速在以太中才是c，那就显然不是的。因为，正如A、B两艘小船一样，两束应以不同的时间走完它们的路程；也正如两艘小船对于河水走过不同的路程一样，两束光在以太中所走过的路程也是不一样的，即它们应有一定的光程差。这个光程差确定了一组条纹的位置。现在如果将整个仪器装置转过90 ，则两路径A和B相对于假设的以太来说，地位互相交换，相应的二者的光程差也交替变化，结果屏上的干涉条纹会在仪器转过90 时发生移动。实际计算表明，如果“以太风”的速度是地球公转速率的数量级的话（考虑到太阳也可能相对于以太运动，它或许会更大一点），由此引起的干涉条纹移动，应该是完全能够观察到的。

葛兴：

       我们在以太假说的基础上来计算干涉条纹预期的移动。与方程式（1）和（2）一样，由于以太漂移而引起的两条路径上传播的时间差为：

这里u为以太风的速率，作为估算，我们取地球的轨道速率，即u=3×10⁴米/秒；而V为光速，即V=c=3×10⁸米/秒，因此：

u²/V²= u²/c²=10^-8

10^-8比1小很多。按二项式定理，当x<<1时。(1±x)ⁿ≈ (1±nx)。因此我们可以把 近似地展开为：

Δt≈2L/c[(1+ u²/c²)-(1+ u²/2c²)]=(L/c)( u²/c²)

其中L为半镀银镜到每一反射镜的距离。

       相应于这个时间差的光程差为：

d=cΔt =L×( u²/c²)

在整个仪器转过90时，光束之一的光程增加了d，而另一光束的光程却减少了d，于是两束光之间光程差的改变为Δ=2d。如果相应于光程差Δ有m条干涉条纹移过视场，则按干涉理论知Δ=mλ，其中λ为所使用的光波波长。联立上述有关式子，得移过视场的干涉条纹数为：

m=2L u²/λc²

       在迈克尔逊和莫雷的实验中，利用多次反射使有效长度L大约为10米，而他们所使用的光波波长大约是5×10^-7米，因此，当仪器转过90时，预期引起的条纹移动数为：

m=2L u²/λc²=0.4

黄宝：

这样大的条纹移动数目是容易观察到的，因而迈克尔逊和莫雷期待能够用实验直接证明以太是否存在。

迈克尔逊—莫雷实验的结果却使当时的每一个人都感到惊奇，因为在实验误差范围内竟然完全没有发现条纹移动！

       迈克尔逊为实验的失败感到泄气，没有继续做这个实验。但是，瑞利勋爵和开尔文勋爵却认识到这个实验的重要性，一再鼓励和催促他进一步做实验，洛仑兹还具体提出了改进实验的意见。1887年3月6日迈克尔逊给瑞利复信说：“你的来信又一次点燃了我的热情，并促使我立刻开始这项工作。”其实，他早已同化学家莫雷（Edward W.Morley，1838-1923）合作于1884到1885年重复了菲索的实验，获得了精确的结果；他们对仪器进行了改装，在1887年7月，完成了现在闻名世界的实验。莫雷当时已很有声望，在物理、数学和实验方面也很有素养。在原来实验的基础上，莫雷提出了很多改进意见。他们的主要改进是：考虑了地球的运动对垂直臂光线路径的影响；经过八次来回反射，使光路长达十一米；将仪器的光学部分安装在很重的大石板上，再把石板浮于水银面上，使它可绕中心轴自由转动。于是，实验的精确度大为提高，根据计算，估计可以测得0.4个条纹移动。

       但是，他们通过四天的观测，得到的结果仍然是零。在1887年11月发表于“美国科学杂志”上的报告中他们写道：

“实际观测到的干涉条纹的位移肯定小于预期值的二十分之一，或许还小于四十分之一。由于这个位移与速度的平方成正比，地球相对于以太的速度也许小于地球轨道运动速度的六分之一，肯定小于四分之一。”

他们对这一实验结果感到十分失望，原来打算在不同季节继续实验的想法也取消了。但他们却因这个实验创制了一个精密度达到四亿分之一的测长仪器，于是他们就运用这套仪器转向长度的测量工作。1907年，迈克尔逊由于在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的基本量度”的研究工作而荣获诺贝尔物理学奖金。

这个实验后来由不同的人在不同的季节和不同的地点多次重复过，结果总是一样：没有检测到“以太风”的存在。

葛兴：

    历史上有些重要的物理概念或理论被后来的事实所推翻，如地心说、热质说、燃素说等。伽利略就是以推翻了亚里士多德的运动要力维持和物体越重下落越快的观点出名的。

    迈克耳逊一莫雷实验的"零结果"的现行解释也是不对的。所以否定 "以太"的存在和狭义相对论正确的观点也是不对的。因为迈克耳逊一莫雷实验的"零结果"的现行解释是数学解释而不是物理解释。

宗荣：

    麦克斯韦电磁理论建立在静止以太观念的基础之上，洛仑兹电子论也是以静止以太作为绝对坐标系的，因此，如何在实验上证明静止以太的存在就成为人们普遍关切的问题。

   菲涅耳认为，在静止以太中运动的物质会部分地带动以太，并导出了著名的曳引系数公式。菲索用干涉方法测量了流水中的光速，证实了菲涅耳的曳引系数。洛仑兹则认为，以太始终是静止的，不受运动物体的任何干扰，用电子论导出了菲涅耳曳引系数。但绝对静止的以太是否存在仍然没有直接的实验证据。

    这一无可争辩的实验结果显然与菲涅耳的以太理论相违背，因而使洛仑兹极为困惑，正是在这样的背景下，为了挽救以太理论，洛仑兹提出了长度收缩假设。

    1892年末，洛仑兹发表了《论地球和以太的相对运动》一文。洛仑兹在文中写道："这个实验长期使我感到不安，最终我能想出一个唯一方法来调和它的结论与菲涅耳的理论，它由这样一个假设构成：

  连接一固体上两点间的连线如果开始时平行于地球的运动方向，当它接着转过90度后就不再保持相同的长度。若一尺子在静止时的长度为L₀，则当它沿纵向运动时，就缩短成L₀√(1-u²/V²)。

 洛仑兹关于长度收缩的电子理论是这样的：物体是由原子组成的，而原子又是由带负电的电子和带正电的部分所构成。一把尺包含着一定数目的原子，它的长度决定于原子间的距离。洛仑兹假定，原子间的作用力主要是电磁力，原子就分布在其他原子对它的电磁作用的平衡位置上面。由麦克斯韦方程组（假定它在相对于以太静止的参照系中成立）可以计算出荷电粒子周围的电磁场。当粒子在以太中静止时，它的电势在各个方向是对称的，就是说，等势面是一个球面，电势Φ=q/R（其中q为粒子的电荷，R为由粒子到所考察点的距离）。当粒子以速度u相对于以太运动时，计算发现力场不再是球对称的，等势面变为一个旋转椭球，垂直于运动方向上的直径不变，而在运动方向却以比率√(1-V²/C²)缩短。这显然是电荷在以太中运动的效应。

由于固体中总的力场等于构成它的所有粒子的力场之和，因此整个力场应该在运动方向收缩而在垂直方向保持不变，正如单独一个带电粒子的场所发生的变化情况一样。可以想象，此时每个原子的平衡位置应该在运动方向上相互靠近，因而整个固体也就在这方向以相应的比例√(1-V²/C²)缩短。结果，一条相对于以太静止时长度为l₀的测量杆，当它以速度u沿着长度方向相对于以太运动时，将具有长度l= l₀√(1-V²/C²)。但是，如果杆垂直于运动方向，它的长度当然不会改变。

所以，把迈克耳逊一莫雷实验的"零结果"的现行解释说成是数学解释而不是物理解释有点站不住脚吧？

葛兴：

把迈克耳逊一莫雷实验的"零结果"的现行解释说成是数学解释而不是物理解释的理由是这样的：

在前面迈克耳逊一莫雷实验的计算中有一个光在水平臂和垂直臂上传播的时间差

Δt = t-T = 2L/[V (1-u²/V²)] - 2L/ V√(1-u²/V²)

迈克耳逊一莫雷实验的"零结果"就是Δt = 0，于是

L/[V (1-u²/V²)] = L/ V√(1-u²/V²)

把光在水平臂和垂直臂上传播的距离分别记为L和L₀，

L/[V (1-u²/V²)] = L₀/ V√(1-u²/V²)

解这个方程得

L= L₀√(1-u²/V²)

所以我们完全可以用纯数学的方法得出洛仑兹收缩。

黄宝：

言之有理，那么有不有物理解释呢？如果有的话，请说出来，我洗耳恭听。

（5）

洛伦兹收缩本身是一个没有任何物质结构和力学基础的自以为能够自圆其说的的假说。可是明眼人很容易看出，这个假说是建筑在干涉仪两臂与干涉仪对以太运动方向必须在一个平面上这样一个先决条件上的。可是在地球上的干涉仪不断随地球作自转、翻滚运动。当干涉仪两臂与干涉仪运动方向不在一个平面时，洛伦兹收缩根本就不能成立（即收缩因子不能消除光程差）。

1902年，Rayleigh L就指出，如果收缩导致真实的密度变化，在以太中运动的物体将在二阶精度内产生双折。然而，他试验了几种液体和固体，均没有发现双折现象。
人站在地球上会掉到太阳上去吗？
用随动以太轻而易举能够解释的迈克尔逊实验，非要拐弯抹角用否定重力场的全宇宙统一的以太加以洛伦兹收缩来解释。这样做是不是太累了？ 这种所谓的以太除了使人感到以太是一种不存在的可笑的胡思乱想外，没有别的效果。

葛兴：是一个可爱的无知者，波动说不需要假设以太，而是要用事实证明以太一定存在。证明以太存在的关键在于确定以太究竟是一种什么样的物质，它是以何种状态传播光的，这种传播方式是不能够假想的，而一定要是实验事实确定的。

宗荣：扯得太远说明这位宗荣先生对物理实验也并无研究，也并不内行，可以说是人云易云者也。

黄宝：还真是位宝贝，他的知识面非常窄小，他拼命地贬低以太说，其实他是在疯狂地抽打着爱因斯坦的脸蛋，因为爱因斯坦又在广义相对论中让“以太”重新复活了。

光作为一种波是不可能是一种微粒子的，因为在真空中，没有任何提供力来源的光是不可能完成波运动的。因为波是一种曲线，作曲线运动的粒子是需要力作用的，真空中没有力的来源，它如何作曲线运动？（回忆一下高中学过的数学，凡作曲线运动的物体，则一定受到力的作用，真空中没有受力来源，则不可能完成爱因斯坦假想的所谓的粒子波动说。）

    所以，真空中一定存在以太，是以太给光波提供了波的媒质力，

葛兴：

你说的这些我能理解，也是对的。要在权威杂志上发表文章比登天还难。原来我还想过，现在不想了。无奈之下，已经花了几万元钱把我的试验结果和主要观点发表在某些收费杂志和书刊上。要这些收费杂志的名称吗？

好了，不说这个了，下面开始讲迈克耳逊一莫雷实验的"零结果"的物理解释。

迈克尔逊--莫雷试验的零结果使迈克尔逊、开尔芬、瑞利、玻耳兹曼和洛仑兹等一大批著名科学家极为困惑，这些人可不是一般水平的人，从这一点来分析，试验某个地方一定有重大问题，只是当时没有找到罢了。洛仑兹一再追问： "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"？在这种无可奈何的背景下，他为了挽救以太理论，才提出了长度收缩假设。

长度收缩说是唯一的吗？不是，在我看来还有一种更好的理论，那就是波动介质变硬说。波动介质变硬说是物质作用论不是运动尺缩论，从而是一种对迈克耳逊一莫雷实验的"零结果"的物理解释。

人们普遍认为：固体永远是固体，流体永远是流体。但是这个成见对波的传播来说并不成立。

波实际上是由一种往复振动形成的。往复振动时，介质的受力是交变的，当交变力的频率太快，介质向一个方向受力运动后，几乎马上又要受同样大的力向相反方向运动，介质因惯性的缘故根本就来不及作这样的运动。于是，流体介质的微粒象固体分子一样只在平衡位置振动而传播波。此时传播波的地方的介质的流动性自动消失了，或者说此时传播波的地方的介质变硬了。所谓的"硬"，实际上是指介质分子活动范围小到和固体分子活动范围一样。波在流体介质中的传播就变成像在固体中传播一样。由于波在固体中的传播速度要比在液体中快得多，所以只要波的频率足够大，波在流体介质中的传播速度就可以和在固体介质中一样快。这就是波动介质变硬说。

宗荣：

这个观点很新鲜，有道理。不过好象只是定性的，而不是定量的。如果能定量地分析一下就更好了。

葛兴：

由于介质的受力是交变的，分析质点位移很复杂。如果等效地假设波在正半周的平均作用力是不变的，就简单得多了。在此力作用下介质作初速为0的匀加速运动。其移动的距离（等效于在交变力作用下移动的距离）：）：

s=1/2at²

a是质点位移的平均加速度，此半个周期T/2的时间

t=T/2=1/2ν

ν是波的频率，

s=1/2at²=a/8ν²

由于平均加速度a是一常量，

于是介质微粒在正半周内移动的距离s与波的频率ν的平方成反比，只要频率足够大，介质微粒在半个周期内移动的距离就可以足够小。频率大到一定的值，流动的介质对波的传播而言就和固体没有什么区别了，因为负半周内介质微粒受力和运动方向都会相反。如果不考虑平均加速度a的大小，波的频率达到10¹²赫兹时（如超声波），介质运动范围便在10^-24米范围内。波的频率达到4×10¹⁴赫兹时（如红光），介质运动范围更在10^-29米范围内。所以，波动介质变硬说从介质微粒运动具体数量级来看也是符合实际情况的。

黄宝：

尽管波动介质变硬说表面看起来很有道理，但特高频超声波是机械波，尽管其频率已经堪比电磁波，它仍然不是电磁波。因此，使用机械以太模型来解释电磁波的传播规律，是行不通的。

看看历史上的机械以太，电磁以太模型是多么的让人沮丧，人们最终不得不承认电磁场的特殊性，承认了相对论和量子力学。

葛兴：

特高频超声波是机械波，它不是电磁波，这当然是对的。但机械波和电磁波既然都是波，它们一定有某种共性，它们波动的物理本质是一样的。也就是说，它们都有传播介质，而且介质在传播波的时候受力是交变的。

历史上的机械以太，电磁以太模型是让人沮丧吗？这不符合历史。19世纪，以太是物理学中的一颗明星，麦克斯韦的电磁场理论就是从电磁以太的机械模型中推导出来的。

具体地说，在《论物理学的力线》中，麦克斯韦通过类比方法提出了一个新的物理模型。在谈到这一模型提出的根据时，他说："通过对于下述事实所作的考察：在特定方向上，电解质由于电流而发生移动和由于磁力的作用而发生偏振光的旋转，促使我把磁看作一种旋转现象，而把电流看作一种位移现象。""旋转的磁"和"位移的电"结合起来就构成了一个旋涡式的电磁以太模型。这一模型在麦克斯韦的第二发现周期中起到了关键性的作用。

    电磁以太旋涡模型首先是描述性的，它对以前曾用数学语言概括表述的电磁规律，重新作了力学的唯象解释。按照这一模型，电磁场是由许多旋涡构成的，各个旋涡由于彼此间存在的微粒而相互分立，旋涡的轴指示磁场强度的方向；旋涡的圆周速度与磁场强度成正比；旋涡的切线力表示电场强度，该力的作用使转动着的旋涡表面带动了微粒，而这个微粒流就相当于电流。

人们最终不得不承认电磁场的特殊性，承认了相对论和量子力学，其根本原因就是对迈克耳逊一莫雷实验的"零结果"只有数学解释而没有物理解释。

（7）

1.洛伦兹变换证明了以太波的速度是c。

2.这个模型能够在整个空间形成正弦波交变电磁场。

3.无需弹性煤质。

4.光子在强电场下可以分解为正负电流，正负电子可以湮灭为光子。

5.这个模型符合量子场，能够解释势能是什么。

6.可以方便地解释偏振光、椭圆偏振光、光是横波等。

7.远比弹性以太介质合情合理。

8.这个模型在速度上符合洛伦兹变换的初速度遵循光源速+光速，但是不符合光速不变的多普勒效应。要让光速同时符合两者是不可能的，必须进行取舍。我想，光速能够从初速度的c+v变为c，是因为他周围的光都是c，所以它也只能随大流，从c+v变为c。

葛兴：

其实，科学实验有时也是一柄双刃剑，例如迈克尔逊——莫雷试验。尽管迈克尔逊机关算尽，但限于当时的历史条件，仍然没有算到波动介质在频率极高时会变硬。一个以太论者设计的证明以太存在的试验反过来否定了以太。

黄宝：

葛兴：

v=√（G/ρ）