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相关图片见http://blog.163.com/pxt1961@126/> 作者：彭晓韬 （2012.04.02） [文章摘要]：在以往对本实验结果的解释中存在一些误区，主要有三方面：一是将以太与实验装置的相对速度设定为地球公转速度（在利用早晨与傍晚的阳光进行观测时，应为地球的自转速度）；二是将两条干涉臂的长度设定为相等并为11米，致使无法观测到干涉条纹的移动；三是把实验装置旋转90度前、后的光程差认定为二倍关系（实际仅为两路光波到达目镜的先后顺序对调了而已，影响干涉条纹变化的光程差数值（绝对值）未改变，因此干涉条纹也不会发生任何变化）。本文试图通过对迈克尔逊-莫雷实验结果一种全新的解释来证明实验结果并不能证明以太不存在，也可以在光速可变的情况下解释本实验结果。在此基础上，进一步提出证明以太是否存在和光速是否变化的实验验证方案。 1887年，阿尔贝特·迈克尔逊和爱德华·莫雷在克里夫兰>的卡思应用科学学校进行了非常著名的迈克尔逊-莫雷实验，目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。但事与愿违，实验结果证明以太风的速度为0或根本不存在以太风。为解释此项实验结果与人们在实验前的预期完全不一致的问题，在1887年到1905年之间，许多著名的科学家提出了各种不同的解释。最著名者为荷兰>物理学家>亨得利克·罗洛兹，他依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制提出了后来以其名字命名的罗洛兹变换。然而，一位当时还不知名的瑞士专利局的小职员阿尔贝特·爱因斯坦>，在1905年发表的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间观念的话，以太的观念就是多余的。但人们必须接受光速不变这样一个与人们所熟知的常理相违背的假设。这一实验自然就成了爱因斯坦相对论产生的重要背景。为了解释本实验结果，是否必须放弃伽利略与牛顿的时空理论呢？我们不防对本实验作如下分析： 第一部分 早晚时分相向与背离运动时干涉条纹的相对变化首先我们来分析利用早晨与傍晚时阳光相对于地球表面分别成相向与背离运动时对干涉条纹的影响：一、在以太存在的情况下如果光波的运动的确与某种媒介（历史上假设的以太）有关，本实验是否真的能测量出地球与以太的相对运动速度呢？答案应该是否定的。原因如下：如上图一所示，我们假设：由光源Ｓ发出的光的速度为Ｃ，入射光波波长为λ；实验装置相对光源运动速度为Ｖ或-Ｖ时；沿S-M-M1-M-T路线的光为路线1；沿S-M-M2-M-T路线的光为路线2；Ｍ与Ｍ１间距离为D；Ｍ与Ｍ２间距离为d；实验装置朝光源运动时，光路1、2在MM1或ＭＭ2间的旅行时间分别为Ｔ1、Ｔ２，时差为△t1；实验装置远离光源运动时，光路1、2在MM1或ＭＭ2间的旅行时间分别为t1、t２，时差为△t2；朝光源与远离光源运动间的时差为△t＝（△t2-△t1）、光程差为δ；移动条纹数为△N。则有：△t1＝Ｔ1-Ｔ２＝2D/(C2-V2)0.5- [d /(C+V)+ d /(C-V)] （式1）△t2＝ t1-t２＝2D/(C2-V2)0.5- [d /(C-V)+ d /(C+V)] （式2）△t＝（△t2-△t1）＝0 （式3）δ＝Ｃ×△t＝0 （式4）△N＝δ/λ=0 （式5）由上述推导可以发现，如果实验装置在朝光源与远离光源运动时的速度相同，则即使真的有以太的存在且光速在以太中的传播速度恒定不变，本实验也不能观测到地球与以太间的相对速度对干涉条纹的影响。其主要原因是：光路1在两种情况下，合成速度均为两个速度值的平方差的平方根，未发生变化；光路2在两种情况下虽然有变化，但经过光在Ｍ与Ｍ２间来回往返一趟后，这种变化被抵消了。即：前者是入射到Ｍ２的合成光速为(C+V)，反射光速为(C-V)；而后者正好相反，入射到Ｍ２的合成光速为(C-V)，反射光速为(C+V)。下面分析另一种可能性：二、在弹性碰撞理论条件下如下图二《迈克尔逊-莫雷实验装置示意图》所示，当我们假设由光源Ｓ发出的光的速度为Ｃ，实验装置相对光源运动速度为Ｖ或-Ｖ时，则有：1、按照伽利略-牛顿时空理论和速度叠加原理，入射到半透镜Ｍ的光速为：实验装置朝光源Ｓ方向运动时，光相对于实验装置的运动速度为（Ｃ＋Ｖ）；而实验装置朝远离光源Ｓ方向运动时，光相对与实验装置的运动速度为（Ｃ-Ｖ）；2、如果我们把光子或电磁波束看成一种类似的弹性物质，当它遇到物体产生反射时，入射速度与反射速度相同；而遇到物体透射时，入射速度与透射速度也相同。那么，从Ｍ反射到Ｍ１并被Ｍ１反射回到Ｍ，再经过Ｍ透射到达目镜Ｔ的一路光的速度均与入射光速相同；同样地，从Ｍ透射到Ｍ２并被Ｍ２反射回到Ｍ，再经过Ｍ反射到达目镜Ｔ的另一路光的速度也与入射光速相同。3、光程差和移动条纹数公式推导 各参数的假设同上节。则有：△t1＝Ｔ1-Ｔ２＝2D/(C＋V)-2d/ (C+V)=2(D-d)/(C+V) （式6）△t2＝Ｔ1-Ｔ２＝2D/(C-V)-2d/(C-V)=2(D-d)/(C-V) （式7）△t＝（△t2-△t1）＝4 V (D-d) /(C2-V2) （式8）将上式中的(D-d)简记为△d，则有：△t＝4V△d /(C2-V2) （式9）δ＝Ｃ×△t＝4ＣV△d /(C2-V2) （式10）△N＝δ/λ=4ＣV△d /[λ(C2-V2)] （式11）4、迈克尔逊-莫雷实验理论计算根据有关资料，迈克尔逊-莫雷实验所使用的实验观测装置的参数为：Ｄ＝ｄ＝11m。为了确保经分色后的阳光能产生干涉，Ｄ与d的差值△d应该很小，一般应该在数个或数十个光波长以内；利用的太阳光波长在可见光范围内，波长范围应为390～780nm范围内；利用太阳东升与西落时节地球表面相对于太阳成相反方向运动的速度差，在地球赤道上时的线速度最大，约为0.465m/s；空气中和真空中的光速分别为299600m/s和299792.5m/s。实验观测装置观测精度为0.01个干涉条纹间距。计算结果详见下表一：《光程差和移动条纹数理论计算表》。
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