狭义相对论有完备的实验基础吗？1、从Michelson-Morley-实验说起，上

Michelson-Morley（MM）实验一直被主流物理学界认为是现代物理领域最重要的实验之一，它甚至被誉为"第二次科学革命的理论方面的起飞之点"。然而对主流物理学家的以上观点或说法，我们与其听而信之，不如先弄清事实而后再做评判；所以在这一节里，我们将深入细致地探讨MM实验的准确物理解释以及合理历史定位问题。事实上，我们将会很快发现，尽管MM实验的成功操作距今已经有一百二十多年，但是由于种种原因，科学界对该实验不仅还存在严重的认识误区，而且其解释上也存在严重的纰缪之处。

实验操作人与年代：Albert Michelson和Edward Morley，1887年。

实验目的：检测地球相对于假设中的被认为绝对静止的光媒介"以太"的可能运动。

实验原理：如果光的传播的确需要一种被称为"以太"的物质媒介，而且这种媒介是充满宇宙空间且保持绝对静止的，那么围绕太阳做公转轨道运动的地球无疑会在所到之处引起一阵以太风，即以太相对于地球的反向运动流，于是对于地球上的观察者来说，逆以太流而上然后又回归原处的光线自然要比横穿以太流而后返回的光线传播得要慢，从而地球上从同一处出发的两束满足相干条件但沿不同方向传播的光线，等它们返回并再次汇合时会发生依赖于实验装置所取方位角的干涉条纹的移动。

实验描述与计算细节（【GIU05】，Section 2.4.3）：MM实验的核心装置是一个由互相垂直的两臂构成的光信号干涉仪。在该实验里，一束单色光由光源L发出，在经由一个半涂水银的镜子T时被分别反射与折射而分成了两个子束，其中横向（折射部分）传播的子束在经过距离l₁后到达镜面S₁，接下来，它先被反射至T处，然后再由T处最终（部分地）反射至观察者B处。类似地，纵向传播的子束在经过距离l₂后到达镜面S₂，接着也被反射至T处，然后再由T处最终（部分地）折射至观察者B处，从而两个子束在B处汇合而形成干涉图样。

假定地球是以速度v沿着前面所说的横向相对于以太运动的，从而以太风的方向也是横向且速度大小为v，且光在静止的以太媒介中的速度为c，那么横向传播的子光束走完一个回路所用的时间为

t₁=l₁/(c-v)+l₁/(c+v)=(2l₁/c)*(1-v²/c²)......（4.1）

而另一方面，纵向传播的子光束由于以太流的冲击，其横跨以太流的速度不再是c，而是根据矢量合成所得的c√(1-v²/c²)（请读者自己填补计算细节），从而该子束走完一个回路所用的时间为

t₂=(2l₂)/(c√(1-v²/c²))......（4.2）

如果以γ表示1/(√1-v²/c²)，则以上两个时间之差为△T=(2l₁γ²)/c-(2l₂γ)/c。如果再以λ、ν分别表示所用单色光的波长与频率，那么以上时间差所对应的波长数则为

N=ν△T=(c△T)/λ=(2l₁γ²-2l₂γ)/λ

在MM实验中，为了观察干涉条纹的移动，要把整个干涉仪旋转90度，从而使它的两臂的方位互换，于是可得转动后的时间差所对应的波长数为

N'=ν△T'=(c△T')/λ=(2l₁γ-2l₂γ²)/λ

从而干涉仪转动前后干涉条纹的移动数目为

△N=N-N'=(2l₁γ²-2l₂γ)λ-(2l₁γ-2l₂γ²)/λ=2(l₁+l₂)(γ²-γ)/λ≈(l₁+l₂)β²/λ......（4.3）

其中β=v/c。于是我们看到在MM实验中，干涉条纹的移动数目是地球轨道速度v相对于光速常数c的二阶量。

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参考文献：

【GIU05】Domenico Giulini，Special Relativity: A First Encounter: 100 years since Einstein，Oxford University Press, USA (May 26, 2011)。

~无忧仙人

祝贺无忧先生勇开新贴，痛揭现代物理学的丑陋伤疤。

~刘振永

MM实验示意图：

狭义相对论有完备的实验基础吗？1、从Michelson-Morley-实验说起，中

实验结果：Michelson和Morley最终发现，在他们当时所能达到的实验精度范围内，干涉仪转动前后没有出现干涉条纹的预期移动，这就是科学史上最有名的一个实验零结果。

在做进一步的讨论之前，我们有理由、有责任对一些实验细节做出澄清，以便消除可能的质疑者的疑惑；而最重要的一个问题莫过于：MM实验真的能够达到他们所需的精度要求吗？为了回答这一问题，让我们指出，实验者当时所用干涉仪的有效臂长为l₁=l₂=11 m，所用黄色光的波长λ=5.9*10^-7 m；考虑到地球的公转轨道速度大约v=3*10⁴ m/s，而光速常数c=3*10⁸ m/s，则预期的条纹移动幅度为大致为△N=(l₁+l₂)β²/λ≈0.37，但是我们知道，Michelson和Morley当时所能达到的干涉图样的分辨率为△N=0.01，即前者约为后者的37倍，这样，我们有充足的理由相信，在当时的实验精度范围内，MM实验的确是一个零结果；或者等价地，如果以太风真的存在，那么它也不会超过地球的轨道速度v=30 km/s的1/√37≈1/6。

但是这里还有一个非常细致的问题需要实验者回答，那就是他们是如何知道以太本来是关于太阳系静止的；其实，他们并不需要这一假设，因为他们完全可以假定一年里某个时刻地球关于以太保持静止，但是如果这样的话，那么半年之后由于地球的速度刚好与半年前大小相等、方向相反，则此时地球相对于以太的速度将高达60 km/s，这个速度当然是可以被MM实验探测到的。事实上，Michelson和Morley的确在一年内的不同时期重复了他们的实验，这样，只要以太整体静止--不管它是相对于哪个惯性系，那么实验的零结果就总是有理由得到保证的。

那么接下来就让我们详细地讨论MM实验的解释与意义问题；

实验的解释与意义：关于为什么MM实验会出现零结果，历史上曾给出不同的解释；再结合最新的科学进展，我们试着给出该实验的以下解释：

• 1、 绝对静止的以太根本不存在；既然以太与以太风不存在，即实验原理中的大前提并不成立，那么预期中的干涉条纹不出现也自然在情理之中。

值得注意的是，（1）中的结论几乎是所有理论物理学家的共识，而不管他是狭义相对论的拥护者还是批评者，也不管他是光的本性粒子论者还是波动论者。但是一个自然的问题便是，如果绝对静止的以太并不存在，那么是否存在被地球部分或完全拖曳的以太？如果这样的以太也不存在，那么又该如何解释MM实验的零结果呢？而对这些问题的回答，正是理论物理学家这个集体开始发生严重分歧的地方，所以我们进一步便有MM实验的更多潜在解释如下：

2（a）、绝对的静止的以太虽然被否定、被排除了，但是完全被地球拖曳的以太仍然可能存在，而且，这样的以太的存在显然非常轻松地解释了MM实验的零结果，因为此时相对于地球具有各向同性的光速自然无法引起干涉条纹的移动。

2（b）、任何形式的以太均不存在，因为光的实质本来就是粒子；所以，正如固定在运动的火车上的枪支相对于火车上的固定目标所射出的子弹速度与固定于地面上的同一枪支相对于地面上的固定目标所射出的子弹速度无有不同一样，类似地，做公转运动的地球上的某个光源所发出的光子相对于地球上固定的观察者其传播速度也并不会受到地球运动的影响，这实际上就是Walther Ritz（【RIT08】）等人提出的光的放射或弹道理论，其核心观点是，光在整个传播过程中一直保持它最初从运动的光源处所获得的那个速度分量。

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参考文献：

【RIT08】Ritz, W., Annales Chemie et de Physique 13, 145 (1908), page 172。

~无忧仙人

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更新：审核通过。

~无忧仙人

狭义相对论有完备的实验基础吗？1、从Michelson-Morley-实验说起，下，III

小结：

这样，我们看到MM实验可以有多种不同的解释：绝对静止的以太不存在的解释；完全被地球拖曳的以太的解释；光的发射理论或弹道理论的解释；同时基于以太风与长度收缩的Fitzgerald-Lorentz解释；单纯的相对性原理的解释；以及狭义相对论的解释。

长久以来，相对论的维护者利用自己的学术霸权与对媒体掌握的优势，极力宣传狭义相对论以及与之密切相关的洛伦兹以太理论的解释，而对其它解释或理论却极尽贬低或压制之能事，以致大众没有机会认真考虑或者根本不知道MM实验零结果的各种竞争或替代解释；特别地，一些狭义相对论专家声言，狭义相对论是唯一能够正确解释MM实验零结果的理论，但是有趣的是，它们质疑别的解释或理论成立与否时往往不是针对MM实验本身，而是以这些理论不能解释MM实验之外的实验结果为借口；然而非常滑稽的是，狭义相对论连MM实验本身的零结果都解释不了，它又何谈比别的解释或理论更成功？

以下让我们再简单评论以下前述的几个解释：

首先，根据MM实验的零结果，绝对静止的以太的观念可以被抛弃了，这似乎已经是学界的共识，这种共识既与维相或反相无关，也与主流或非主流无关。

其次，完全被地球拖曳的以太当然可以圆满地解释MM实验的零结果；而唯一存在疑问的是，究竟这种这种被拖曳的以太是一种具备实体的物质还是真空本身，或者，这种以太是否只是一种运动的信息或理解问题的方式。

需要指出的是，一些相对论专家为了否定或贬低拖曳的以太理论，就拿这个理论不能解释星光的光行差现象说事，但是这种指责其实没有丝毫的道理，因为光行差现象本来就与MM实验是属于完全不同性质的实验或现象；换句话说，它们本来就该使用不同的理论来解释。但是如前所述，狭义相对论连一个MM实验都解释不了，它又如何同时解释MM实验与光行差现象？

第三，光的发射理论或弹道理论无疑也能圆满解释MM实验的零结果，但是与被完全拖曳的以太理论不同的是，这个理论没有被发挥与发展的余地，比如，按照这个理论，对于地球惯性系（ECI）内的光源与观察者来说，光源的运动速度总是能够直接叠加于所发出的光子的速度之上，但是根据大量的GPS定位与导航数据，这是一个完全错误的结论。

第四，如前所述，洛伦兹以太理论与狭义相对论都无法成功解释MM实验的零结果。

最后，单纯的相对性原理当然可以成功而漂亮地解释MM实验的零结果；但是需要强调的是，被狭义相对论扭曲的相对性原理不可以解释这个实验，这是由于钟慢、尺缩以及可能的以太风本身就是我们这里所说的相对性原理所排斥的对象。

下一贴：狭义相对论有完备的实验基础吗？2、Kennedy-Thorndike实验与Michelson-Morley实验真的有本质不同吗？

~无忧仙人

哎，都是被逼出来的。

谢谢hegel先生的反馈。

~无忧仙人