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凡先生：

我先简单浏览了一下你的文章摘要，我可以肯定的是，“光速与光源速度无关”这一结论是正确的，但是更深入或更细致的东西在我阅读文章之前无法下结论。

你要是着急讨论，可以在论坛自己开一个主题，这样不光我，而且大家都能针对你的文章进行评论了。相信这样做费时少、效率高。

~无忧仙人

今天的贴子正受审核。

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，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。

下一贴：狭义相对论有完备的实验基础吗？1、从Michelson-Morley-实验说起，中

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

谢谢；与刘先生共勉！

~无忧仙人

MM实验示意图：

今天第二贴正受审核。

更新：审核通过，见【44楼】，不是【43楼】；【43楼】应该跟在【44楼】之后。

~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，I

实验的解释与意义（续）：

4、 MM实验的零结果当然可以是因为绝对静止的以太以及以太风根本不存在，如解释（2）、（3）所暗示的那样，当然也可以是因为虽有以太风，但是作为运动效应的这种以太风却被另一种运动效应，比如长度收缩，所抵消了；千万不要以为这是个别人的臆想，因为它的确是过去一百多年被主流物理学界所反复讨论与正式接受的东西，这就是通常所谓的Fitzgerald-Lorentz收缩（【Fitzgerald89】，【Lorentz95】），或者简称Lorentz收缩。

如果我们留心了在MM实验的描述与计算细节中横向与纵向的光信号传播时间的对比，t₁:t₂=(2l₁/c)*(1-v²/c²):(2l₂)/(c√(1-v²/c²))，那么我们就会发现，实现MM实验零结果的长度收缩方式并不唯一；事实上，只要沿着两个互相垂直方向上的长度收缩幅度对比刚好抵消上述时间效应对比即可（注意在MM实验中l₁=l₂）。比如，我们当然可以要求两个垂直方向上都产生收缩效应，但是一个更简单的选择显然是，让横向的长度按照比例γ=1/√(1-v²/c²)收缩，而纵向的长度则不做任何变化。

请注意，Fitzgerald和Lorentz的解释不仅没有否定以太风，反而假定了它的存在并以太风为理论前提；理论上，这个解释当然有可能是正确的，因为以太风与长度收缩的确有可能同时存在，但是从一个更现实的角度来看，任何一个善于思考的严肃科研工作者都不能不质疑：为何大自然偏偏要选择这条通过坐实双重的运动效应以成就运动效应根本不存在这个简单结果？难道以太风与长度收缩均不存在不是一种更现实同时也是更简单而优美的选择吗？但是这里更严重的问题显然在于，既然绝对静止的以太的不存在已经是科学界的共识，那么与之伴行的长度收缩本来就是一个多余而且不可能的东西，于是Fitzgerald和Lorentz的解释的科学性与可接受度可想而知。当然，长度收缩本身即是一个可以独立测试的假设，它无疑会帮助我们进一步正确评估Fitzgerald和Lorentz的想法。

5、 既然当观察者与被观察的物理现象都限制于地球之上时，不仅关于地球轨道运动速度的一阶物理效应，而且关于它的二阶物理效应都不存在，那么为什么不可以将以上事实简单地接受为一个物理规律？事实上，这正是当时两位著名的物理学家，Poincare与Bucherer，不谋而合的想法（【Poincare95】，【Bucherer03】），对这个可能的物理规律，他们后来还给了一个专门的名字，叫相对性原理或相对运动原理（【Poincare00a】，【Poincare00b】）。

请注意，Poincare和Bucherer的解释不仅不以以太风或长度收缩为前提，而且甚至是排斥这些概念的，原因很简单，既然作为一个基本的物理规律，匀速直线运动具有参照系内的不可探测性，那么诸如像以太风以及长度收缩等的运动效应本来就不该存在。

值得一提的是，虽然解释（2）与（5）看似非常不同，但是它们却是同一物理规律的不同表现形式，这是因为如果读者留心，就会很快发现（2）中所说本来就是经典力学中的相对性原理的标准内容；于是，解释（5）只是简单地把相对性原理从经典力学推广到了光学或电磁学。

好了，现在让我们最后来探讨MM实验零结果的狭义相对论解释。

下一贴：狭义相对论有完备的实验基础吗？2、从Michelson-Morley实验说起，下，II

参考文献：

【FitzGerald89】FitzGerald, George Francis (1889), "The Ether and the Earth's Atmosphere", Science 13 (328):

【Lorentz95】Lorentz, Hendrik Antoon (1895), Attempt of a Theory of Electrical and Optical Phenomena in Moving Bodies, Leiden: E.J. Brill

【Poincare95】Poincaré, Henri (1895), "A propos de la Théorie de M. Larmor", L'Èclairage électrique 5: 5-14.

【Bucherer03】Bucherer, A. H. (1903). "Über den Einfluß der Erdbewegung auf die Intensität des Lichtes". Annalen der Physik 316 (6): 270-283.

【Poincare00a】Poincaré, H. (1900), "La théorie de Lorentz et le principe de réaction", Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles 5: 252-278.

【Poincare00b】Poincaré, H. (1900), "Les relations entre la physique expérimentale et la physique mathématique", Revue générale des sciences pures et appliquées 11: 1163-1175.

~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，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。

下一贴：狭义相对论有完备的实验基础吗？1、从Michelson-Morley实验说起，下

参考文献：

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

~无忧仙人

此贴多余，故删改。

另，如上所说，请注意阅读顺序：先读【44楼】，后读【43楼】。

不错，期待ing……

~无忧仙人

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~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，II

实验的解释与意义（续）：

6、狭义相对论对MM实验的零结果的解释可以从两个层面来考察，一个层面是从相对性原理的角度，即：既然做匀速直线运动的物体如地球，它的运动从该参照系内部是不可探测的，那么在光源与观察者一同固定于地球的MM实验中出现零结果也就是再自然不过的事情；而另一个层面则是从旨在解释相对性原理的具体物理机制的角度，这就不能不涉及狭义相对论的钟慢尺缩效应。

如前所述，相对性原理完全可以是大自然的一个最基本的规律，对这个意义上的相对性原理的最基本的理解是匀速直线运动的不可探测性，这就意味着它不仅排除了以太风以及长度收缩等运动效应的可能存在，而且也排除了其它任何形式的匀速直线运动效应的存在，因而这样意义下的相对性原理不仅不需要更多或更复杂的假设来解释，而且是与这样的假设直接相悖的。但是狭义相对论对钟慢尺缩效应的引入使我们相信，它所说的相对性原理不是以上所说意义下的。

其实，研究狭义相对论对MM实验的零结果解释也不失为一件"有趣"的事情。比如，一方面，爱因斯坦会告诉我们说（【Einstein05】；【Einstein16】，Section 16），既然旨在探测以太流的种种实验，尤其是MM实验，都出现了零结果，那么以太的存在这样一个假设就是多余的；但是另一方面，我们又知道，爱因斯坦使用相对性原理与光速常数原理导出了与洛伦兹理论同样的长度收缩结果，并且爱氏一直以此为荣。本来，当一个重要的实验结果问世之后，一切围绕这个实验并解释这个实验的理论应该是解决问题的本身而不是制造更多的问题，但是我们看到，不管是洛伦兹的以太理论还是爱因斯坦的相对论做的都是相反的事情。

事实上，我们此前已经看到，在洛伦兹的以太理论中，正是以太风与长度收缩这一双重的错误假设导致了MM实验中熟悉的零结果，但是遗憾的是，在科学理论中双重错误是加倍的错误，而不是错误的抵消；而狭义相对论与洛伦兹以太理论的密切关系又让我们深信，狭义相对论同样是一个试图从双重错误导出一个正确结果的理论，因而它也同样是不能成立的。为什么呢？这是因为，如果真像爱因斯坦所说的那样，以太以及以太风并不存在，那么洛伦兹理论中的长度收缩不仅没有存在的必要，而且事实上必然是错误的，这是由于单独的长度收缩这一假设不可能导致MM实验的零结果；然而另一方面我们又知道，洛伦兹理论与狭义相对论导致相同的物理预测，尤其是在钟慢尺缩方面，这几乎是物理学界的共识，这样，如果洛伦兹理论是错误的，那么狭义相对论同样也就没有成立的可能。

如果相对性原理作为一个最基本的物理规律已经能够圆满解释MM实验的零结果，那么狭义相对论的光速常数假设就是一个完全多余的东西；不仅如此，既然它与相对性原理的结合导致了错误的钟慢尺缩效应，那么我们有理由推断出，要么光速常数原理是错误的，要么是爱因斯坦错误地运用了相对性原理，当然也可能是二者兼而有之，或者就是爱氏的推理过程出了问题。

再进一步，如果钟慢尺缩效应真的会按照狭义相对论要求的那样发生，是否它就可以圆满解释MM实验的零结果呢？非也；这是由于尽管尺缩只在地球轨道运动的方向上发生，但是钟慢效应，即便存在，也与运动方向无关，这样，由于地球运动所导致的钟慢尺缩效应不可能彼此抵消而产生MM实验的零结果，除非在其运动方向上还存在别的运动效应如以太风。于是我们看到，尽管为了抬高爱因斯坦与狭义相对论的地位，爱氏的追随者有意抛弃以太以便与洛伦兹以太理论撇清关系，但是事实上这是一件根本不可能的事情。

下一贴：狭义相对论有完备的实验基础吗？2、从Michelson-Morley实验说起，下，III

参考文献：

【Einstein05】 A. Einstein, On the electrodynamics of moving bodies, Annalen der Physik 17:891 (1905).

【Einstein16】Relativity: The Special and General Theory, Methuen & Co Ltd, 1916, translation in 1920 by Robert William Lawson.

~无忧仙人

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~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

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~无忧仙人

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？

Kennedy-Thorndike（KT）实验其实是修改了的Michelson-Morley实验，它操作于1932年（【K&T32】）；与MM实验相比，KT实验唯一有着根本不同的地方便是它的干涉仪的长度悬殊的两臂。有人认为（【Robertson49】），既然等臂的MM实验是Fitzgerald-Lorentz长度收缩的证据，那么KT实验自然可以理解为时间膨胀的证据；但是根据我们在第本章第一节中的分析，以上推理的前提并不正确，因而我们也有理由得出结论，它的有关时间膨胀的结论也是错误的。

其实，我们在前一节的有关计算中已经采用了两臂不等长的假设，因而那里的分析毫无疑问也是适用于KT实验的零结果的；具体地说，不是以太风与长度收缩这一双重错误假设导致了零结果，而是排斥了以太风、长度收缩以及其它任何形式匀速直线运动效应的相对性原理。那么在这一节里，就让我们对Kennedy和Thorndike所描述的实验原理以及所做的假设进行分析，看看它们是否存在缺陷，以及如果有，缺陷究竟在哪里。

Kennedy和Thorndike在他们的文章中是这样表述其实验原理的（【K&T32】）：

"该实验所赖以建立的原理是这样一个简单的命题，即，如果一束单色光被分离成为了两个子束，而这两个子束在传播了不同的光程之后又再次汇合，那么它们的相位差的大小将依赖于实验装置的运动速度，除非实验中光的频率对运动速度的依赖也符合相对论的要求。"

首先，作者所用的是对实验原理的一种有缺陷的表述方法，因为它先假定了两个待验的物理命题的尚未核实的逻辑关系，而后再以其中的一个命题的正确性去推断另一个命题的正确性。请注意，作者所假定的逻辑关系可能存在，也可能不存在，但是不管这种关系存不存在，作者所用的科研方法都是有根本缺陷的，因为科学的结论应该建立在明确的事实之上，而不是假设之上。作者当然不是没有权利作出假设，只是当他们这样做时有责任告诉读者，自己的分析以及结论仍然是假设性的；而不是误导大家并让大家错误地相信，自己实验证实了一个明确的科学结论。

其次，同Fitzgerald和Lorentz对MM实验零结果的解释类似，此处作者也是用一个双重的错误假设的彼此抵消来解释一个本来不存在的效应，即KT实验的零结果；在Fitzgerald-Lorent解释中，所用的双重假设是以太风与长度收缩，而在Kennedy-Thorndike解释中，所用的双重假设为长度收缩与时间膨胀。但是既然如前所说（本章第一节），长度收缩是不存在的，那么KT实验中的时间膨胀自然也不存在。所以，同作者所相信的恰恰相反，KT实验不仅没有证明时间的膨胀效应，而恰恰是否定了它的存在。

第三，我们知道，Kennedy和Thorndike在他们的文章中的确明确使用了长度收缩的结论（【K&T32】，【Robertson49】）；这就有力地证明了，KT所操作的不是一个与MM实验相互独立的实验。

最后，如果像MM实验以及众多的其它实验所证实的那样，相对性原理是大自然的一个最基本的规律，那么匀速直线运动是排斥任何可探测的物理效应的，条件是这种探测行为局限于该参照系之内。于是根据这一原理可知，长度收缩并不存在；同时也根据这一原理可知，时间膨胀也不存在。

当然，我们有更多的证据与理由来质疑时间膨胀这一结论或说法。

下一贴：狭义相对论有完备的实验基础吗？3、Ives-Stilwell实验究竟证明了什么？

参考文献：

【K&T32】Kennedy, R. J.; Thorndike, E. M. (1932). "Experimental Establishment of the Relativity of Time". Physical Review 42 (3): 400-418.

【Robertson49】Robertson, H. P. (1949). "Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity". Reviews of Modern Physics 21 (3): 378-382.

~无忧仙人