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迈克尔逊实验的“零效应”在历史上的客观影响及其 发展新说—对一桩历史悬案的探究 作者：崔木培 内容提要：迈克尔逊实验的“零效应”，在历史上当时曾使物理界困惑不安，继而为《相对论》开辟了道路，又使迈氏实验本身成为历史悬案遗留下来。这就是迈氏实验“零效应”在历史上的三大客观影响。由此，构成了围绕测量地球绝对运动速度问题上的逻辑循环。如果不在迈氏实验“零效应”现象的内在因果关系的认识上有重大突破，物理学将因此永远陷入理论上、实践上的禁锢和桎梏之中。运动光学学说是破除其禁锢的理论武器，而摆脱桎梏，则要在运动光学理论的指导下，测量地球绝对速度的实践验证，最终取得成功时才能实现。 关键词：运动光学，迈克尔逊实验的“零效应”是一桩历史悬案。 光波传播光程差。光信号传播时间差。真空介质。光的初始扰动。 光的初始扰动具有两重性。 一、迈克尔逊实验的“零效应”在历史上的客观影响。 迈克尔逊在1881年，为了测量地球的绝对运动速度，进行实验。但是，却得出了“零结果”。此实验以后还进行过多次，结果都是相同的。 这是一个测量实验。按当时的“理论”计算，应当能够测出：地球的绝对运动速度所引起的影响的。但是实际上却没有被测量出来。可是，在例如光行差和其他天文观测都证实：地球确实在空间运动着。由于这一实验的“零效应”与事实之间有矛盾，所以使当时物理界陷入困惑不安的状态之中。这可算作迈氏实验“零效应”最初的客观影响。 1905—1916年，爱因斯坦在洛伦兹等人提出的过渡方案的基础上，采用新的观点建立了《相对论》。并且将迈氏实验的“零效应”作为否定绝对静止参考系的“判决实验”。这是因为《相对论》认为迈氏实验的“零效应”是绝对无误的，一直到本世纪（二十世纪）中叶，《相对论》经过大发展的阶段，成了近代物理学的一个重要分支。以迈克尔逊实验与《相对论》相比较，轻重悬殊，甚至可以说迈克尔逊实验是微不足道的。可是追根寻源，为《相对论》开辟道路的，乃是迈克尔实验的“零效应”！试想，假如今后某个时期，有人真的把地球的绝对运动速度测量了出来，那末，由《相对论》对各种自然现象的分析和解释，不来一个大转变才怪呢！所以，为《相对论》开辟了道路，是迈氏实验的“零效应”的客观影响之二。 既然迈克尔逊实验的“零效应”为《相对论》开辟了道路，《相对论》又 有了大的发展，为什么称迈克尔逊实验为历史悬案呢？这里有形成悬案的客观因素，存在于历史事实之中。 迈克尔逊实验的“零效应”，只是一个客观的现象，它的本质即现象的内在因果关系，是当时未被揭露的，而且这种状况一直持续到运动光学尚未被发表的现在。 按照迈氏实验原来的计算，是应该出现“非零结果”的。它的未能出现，也是有物理原理存在其中，是当时没有察觉，而且这种状况一直持续到今天。 由于上述状况的存在，使迈克尔逊实验在实际上形成了一桩历史悬案。 有可能说，《相对论》已“从根本上解决了”迈克尔逊实验问题。其实不然，原因如下： 德国物理学家M.V.劳厄说过：“从那些概括出牛顿力学的经验材料出发，人们是不能得出爱因斯坦相对论的”。（见《物理学史》M.V.劳厄著范岱年、戴念祖译，1978年3月第一版，57页，商务印书馆出版。） 事实上，由迈氏实验的“零效应”发展为相对论，不是由和谐的推理达到的。是先否定了迈氏实验之后，换句话说，先将迈氏实验的“零效应”绝对化以后，才能顺理成章地推演出《相对论》的理论。在这里充分地展示了人类思维能力的丰富与宽广的可能性。 然而，《相对论》所解决的，只不过是迈氏实验的“零效应”绝对化以后的问题。而迈氏实验的根本问题，便被相对论一笔勾销了。或者说迈克尔逊实验的问题，被相对论遗留了下来。应当说在人们对迈氏实验的“零效应”深信不疑时。发展出《相对论》是可以理解的。可是，这就形成了一桩不能算微小的历史悬案。这恐怕就是为什么迈克尔逊当面曾对爱因斯坦说：“想不到他自己的工作竟会引出相对论这个‘怪物’”（见《科学技术与辩证法》杂志1993年第1期48页）这句话的原因吧！ 综上所述，迈克尔逊实验无可争辩地作为历史悬案被遗留了下来。具体地说：迈克尔逊实验的非零结果为什么没有出现，它的客观物理原因是什么？这正是需要深入探讨的问题。如此说来，迈克尔逊实验本身成为一桩历史悬案，也就是迈克尔逊实验的“零效应”的客观影响之三。至此，如果在迈克尔逊实验问题上，没有突破性的进展，那就进入了恶性循环的死胡同。所以，对迈氏实验的理论探究，就成了当前物理学向前发展的客观需要了。 二、迈克尔逊实验的“非零结果”为什么未能显现出来？ 众所周知，迈克尔逊干涉装置中有相互垂直的两条光路臂，两条光 路臂的端部，各有一个精密的平面反射镜，可将两路光线，反射回分光束镜，并于两路光线汇合于分光束镜时，发生干涉。在迈氏干涉装置用于一般测量工作时，是使其中一个反射镜，与被测尺寸的变动，发生联系，形成其光程可变 动的一条光路臂；而另一反射镜在装置中固定，形成一个光程不变的光路臂。 在被测尺寸变化时，两臂间出现相对光程差，从而显现干涉条纹的变化。当两反射镜都没有相对位移时，相对光程差等于零，干涉条纹不会发生变化。 一般测量的无数事实证明，迈氏干涉装置是非常灵敏可靠地仪器。虽然仪器都是稳固地安装在地球上，地球一直在缓慢（24小时一周）地转动着。从来没有发生过因地球运动而影响其测量精度的事情。 可是，在1881年，迈氏尝试用他发明的光波干涉装置，测量地球的绝对运动速度。这是基于从绝对静止坐标系出发，计算光波的波前（或光粒子）所经过的路程。当装置整体平稳转动时，虽然两反射镜相对位置没有相对变化，但是由于地球在空间的客观运动速度，在两臂间将产生光信号传播时间差。 迈克尔逊在进行实验前，相信他的光波干涉装置将能把这个光信号传播时间差显现出来。但是，在实验后却发现，无论如何总是不能如愿以偿。如前所述，迈克尔逊一直没有把其中的道理弄明白。而且在洛伦兹把迈氏实验的“零效应”绝对化，并经爱因斯坦创立了相对论之后，迈克尔逊仍然未能把光波传播光程差与光信号传播时间差的区别，搞清楚。他的这一项测量工作的失败，造成的影响，不仅是他本人终生遗憾的事情。由于这一测量结果的错误，引起物理学一个世纪的曲折发展。这对于测量工作的重要性，以及测量工作所负责任之重大，该是一个多么沉重的事例啊！ 原来，迈氏所计算的光信号传播时间差是按光波波前（或称光粒子）计算的光信号传播时间差，而他所使用的检测设施却是光波干涉置。但光波干涉是光的波动性所特有的现象。对于按光子光计算出来的光信号传播时间差，干涉仪器是反映不出来的。即迈氏计算出的光信号传播时间差，在他用的检测方法中处于隐性地位。 因此，在迈氏实验中，相对光程差的“零”（因为两反射镜相对位置没有变化），掩盖了光信号传播时间差的“非零”，形成了迈克尔逊实验的“零效应”现象。 照此说来，由迈克尔逊-莫雷实验得出的：“地球的绝对运动速度不可能测量”的判决，是不能成立的。 上述论断，不是凭空臆造，而是根据“光波在真空介质中的传播原理”，推导得出的。这在下文中有简要叙述。 迈克尔逊—莫雷实验计算的“非零结果”中有部分错误。在迈克尔逊实验的“非零结果”的计算中，在光波传播方向和运动方向相平行的一臂的结果，是正确的；在光波传播方向和运动方向相垂直的一臂的计算，是错误的。 在光波传播方向与运动方向相垂直时，有两种情况，要加以区别。 1、光源与光接收器同步运动。 2、光源与光接收器异步运动。
行差现象”中，光波传播经过的路程相当于 其实，这一错误，与前述选错检测方法的错误比较起来，只能算枝节错误，不会因此看不到“非零结果” 。但是由于这一错误的存在，却对“零效应”的绝对化起到了一点“诱因”的作用。 为什么这样说呢？我们试想如下过程，起初相信迈氏的计算是正确的（不知道光源与接收器同步运动时在垂直光路中不出现光行差现象）。后来，发现了在往返光路上，光速的双程不变性（实际上是波动光的光速的双程不变性）。但是，在迈氏计算的垂直光路臂中的光程是变化的，因此，按照迈氏原来的计算，不管在平行光路臂中光速的变与不变，因为有垂直光路臂中 正确的“非零结果”应当是Δt,
迈克尔逊原来计算的“非零结果”是：
Δt与
当V →c时，B →1 四、光在真空介质中传播原理的提出 众所周知，真空是一种电介质可以传播电磁波也包括光波。迈克尔逊时代认为真空中有一种“以太”介质，可以传播光波。现在看来这是多余的，因此，在本文中直接用真空介质代替“以太”介质。称为真空介质。 为了分析迈克尔逊光波干涉光路中光信号传播时间差的变化规律，首先遇到的问题便是光源发出的光波在真空中是怎样传播开来的，由此就产生了提出光在真空介质中的传播原理的动机。 这个原理强调了光源的运动，并界定了运动光源对光波传播影响的程度，原理由下列三条组成。 1、波的传播是由一个扰动引起另一个（或一些）扰动，传播开来的。第一次的（引起以后许多扰动的）扰动，即波源引起的扰动。叫做初始扰动。连续波波源发出连续的初始扰动，脉冲波波源发出脉冲的初始扰动。 2、光的初始扰动在真空介质中出现的位置和光源的运动轨迹相一致。 3、光波在真空介质中，从初始扰动起就不再受光源运动的影响，而以速度c开始自己独立的传播过程。 上述三条中，第一条是对初始扰动的定义，第2、3条，说明光的初始扰动出现的位置与光源的运动有直接关系。并突出光的初始扰动的两重性。即光的初始扰动所处位置既是受光源运动影响的结束，又是光波开始自己独立传播（不再受光源运动影响）的起点。正是初始扰动的两重性，形成了光波在真空介质中传播时所具有各种特性，其中也包括谱线位移的特性。光波在真空介质中的传播原理较相对论的光速不变原理，更全面、更正确。 五、新原理的应用及光的波粒二象性新说。 根据光波在真空介质中的传播原理，经过推导，得出在光源运动、接收器运动及参考系不相同的时候，波长、周期、光速的变化规律。结果列于表1。 表中符号意义如下： 运动光学为了解释光源与接收器（接收者）在运动或静止时光的传播情况。 在这种复杂的关系中，必须使用一些符号。对于光波传播要素，使用传统符号：光波波长λ，光波周期Τ，光波传播速度c。这是三个主要符号。 由于运动光学所研究的问题情况多样，在讨论分析过程中，必须将各种不 同情况区别对待，而且为了保持在讨论和分析的全过程中的正确性，清晰性和逻辑的确定性、合理性。必须对三要素所处的情况分别表示清楚。因此，在三主要要素符号的四角，加注角标。符号及角标的写法规定如下，见图1。
图1。主要符号及角标写法的规定。
由于研究的是光源、接收器运动时光的传播规律，因此我们且称这一规律为“运动光学”规律。 根据表1中列出的公式，我们可以计算出迈克尔逊实验的结果，即“零效应”。计算如下： 迈克尔逊-莫雷实验是以光波干涉法检测的。因此应按波动光计算。在表1中，41、45号公式说的是，以接收器为参考系、光源和接收器顺于或逆于光 波传播方向运动、以波动光看待时的光速都是C。即： 由此，就可以计算在平行于地球运动方向的光路中，波动光光速等于c，在往返2L的光程中光的往返时间是t1 ，
如前所述，由于光源和光接收器同步运动，在垂直于地球运动方向的光路臂的光程仍是2L，所以“垂直臂”中光波往返的时间，是t2 。
两臂光程在按波动光计算时，其往返时间差是，t1–t2 。
上面（3）式的结果，是按运动光学计算出的迈克尔逊-莫雷实验应得的结果，即“零效应”。这相当于该实验正常进行时得到的结果。 上面的计算说明运动光学理论所给出的规律（表1）能正确计算出迈克尔逊-莫雷实验的结果。当然这也说明：迈克尔逊-莫雷实验对于测量地球绝对运动速度是一个无效活动。原因是：它企图用干涉条纹的变动，来检测光信号传播时间差的有、无，可是这是错误的。这就是人类第一次测量地球在空间运动状态的著名的实验，失败的症结所在！ 那末，关于光信号传播时间差的计算，运动光学理论的规律（表1），能否给出计算结果呢？答案是肯定的！ 按光子光（光信号）计算，用表1中公式56及60，就可算出。在与地球运动相平行的光路上，光波的往返时间t1 。
在垂直于地政球运动方向的光路上，光波的往返时间t2 。 T2 =2L/c （5） 在与地球运动相平行、相垂直的两光路中光信号传播时间差是Δt 。
（6）式就是用运动光学规律计算出的，在迈氏干涉装置两光路间，由于地球的运动而产生的时间差。应当注意的是，这是光子光（即具体信号或具体的光波波前）在光路中运行的时间差。这一时间差是不能用光波干涉条纹来观察的。因此，测量这一时间差的难度是很大的，但它的存在却是肯定的。至于具体要用什么方法？把干涉装置的光源换成飞秒脉冲激光光源，有可能解决这一问题。 上面是利用表1部分公式，解决迈克尔逊实验计算的例子。 另外，从表1所列公式看，可以反映出对光波的波粒二象性的新的解释。其表述如下： 光波的传播是下述两种光现象的对立统一事件。 1、光波波前的传播。 2、光的波长和周期的传播。 单个、具体的波前和传播速度，是光子光的传播速度，也是信号光的传播速度。 波长和周期的传播速度，是波动光的传播速度。即 在以光源为参考系时，两者速度相同，且等于c±V1 （见表1） 在以接收器为参考系时，两者（除接收器在真空介质中静止，相当于以真空介质为参考系时，两者都是C之外）不同。波动光速等于C；光子光光速等于c±V2（见表1） 光的干涉现象是光的波动性的特有表现。 光脉冲则会突出光的粒子（光子、信号光）特性。 但是，光的波动性与光的粒子性两者的本质是统一的。它统一在光的初始扰动的两重性之中。 上面的说法，在表1中有具体的表现。 这就是光波的波粒二象性新说。 六、光速的变与不变是有条件的。 运动光学规律认为：光波的传播速度是，光波波前的传播速度与光波的波 长和周期的传播速度的矛盾统一事件。在不同的条件下情况不同。因此，光速的变与不变，不是无条件的，而是有条件的。 表1所列光波要素变化公式中，给出了光速变与不变的条件。 符合下列条件之一者，光速不变。 1、 2、 3、 4、 符合下列条件之一者，光速能变。 5、 6、 7、 8、 上面8条列出了光速变与不变的条件，现在简单地说明如下： 1条说的是，以真空介质为参考时，光速不变（无论光子光或波动光）。 2条说的是，以接收器为参考系时，波动光光速不变。（注意！这和迈氏干涉光路中，起作用的条件是相同的。所以实验得出零结果）。 3、4两条的情况，其实仍是以真空介质为参考系的一种变形。 1条至4条说的是光速不变，应具备的条件。从5条开始至8条是光速能变、可变或会变的条件。 5条、6条说的是，以光源为参考系时光速的变化情况。 7条、8条说的是，以接收器为参考系时，按光子光（即具体的波前）看待时，光速会变化的。注意！这和迈氏自己计算实验结果时，依据的条件是一致的。只是因为他用的检测方法错误，致使光信号传播时间差蒙受了冤屈，让测量地球绝对运动速度的实验搁置了百年。这可能也是历史曲折发展的规律所致吧！ 由前可知。“光速的变与不变是有条件的”，是对迈克尔逊实验所暴露的问题，经过分析得出的科学结论。而传统的相对论，所以会主张“光速不变原理”， 是由于对迈氏实验“零效应”现象的内在因果关系，没有搞明白之前，急切地 把“零效应”绝对化，产生的错误的理论性假说。 总之，“光速的变与不变是有条件的”说法，对“光速不变原理”是一次突破，是一种发展。 上述情况说明了，“光波在真空介质中的传播原理”的正确性与生命力。相信今后会有越来越多的人承认它、运用它。 七、运动光学对谱线位移本原的新见解。 谱线位移（红移包括紫移）的定义，可用下式来表示：
式中λ0是实验室光源的某谱线的波长，λ是天体的同谱线的波长。Z＞0 是红移，波长变大: Z＜ 0是紫移，波长变小。 据此按运动光学规律计算，得：
式中： C－－－光在真空介质中的传播速度。 V1－－－光源的绝对视向运动速度。 V2－－－接收器（或观测者）的绝对视向运动速度。 以（8）代入（7），可得
V1 和V2 分别指光源和接收器的视向绝对运动速度。在其运动方向与光波传播方向相反时，V1 或V2 为正；与光波的传播方向相同时，V1 或V2 为负。 在实际问题中，光源和接收器的绝对视向速度一般不能立刻确知，但是， 我们可以先对（9）式作如下演算，并作出谱线位移的算图。 令X = 将X，Y代入（9）式，可得： X - （Z+1）Y – Z =0 （10） 式（10）就是以（-1，-1）为交点的直线系方程。 根据普遍承认的物理事实：客观物体之绝对运动速度以光速C为极限。设V1 ，V2 之区间为（-C ，+C），则方程（10）之定义域是： -1＜X＜+1 -1＜Y＜+1 在方程（10）的定义域范围内，Z的区间为（-1，+∞），即紫移的极限是-1，红移的极限是+∞。图1就是（10）式的直角坐标图，也是谱线位移的算图（见图1）。
以上是运动光学理论，对谱线位移本原的新见解的基本部分，根据上述方程，可以解释许多用传统（包括相对论）的方法，不能圆满解释或解决的问题。如：光源与接收器无相对运动时，谱线位移等于零；紫移最大值为1（即Z=-1）；能解释大红移现象；通过分析还能对大红移的出现有无止境？为何大红移只在河外天体出现？作出合理的解答；能够说明哈勃现象，且指出哈勃定律和哈勃常数的片面性；以及多普勒原理有美中不足之处；并通过分析还得出了支持等级式宇宙模型的结论。对于上述诸多问题另有专文叙述。限于篇幅，本文不一一细述。 八、关于测量地球绝对运动速度问题。 迈克尔逊实验的本来目的，是用光学观测来检验地球通过空间运动的影响。换个说法，就是用此实验来测量地球在某一瞬间在某一方向上绝对运动速度。由于实验错误地选用干涉条纹检测绝对光程差。这在事实上就构成了一个选错了检测手段的实验。这样的实验是注定不会得出可靠结果的。实际得到了“零效应”或称“否定判决”。当然，这些错误的出现，以及百年来未被揭示清楚。都是事出有因的。 现在有了运动光学理论，破除了关于地球的绝对运动速度不可能测量的理论禁锢。运动光学理论的出现，适应了物理学发展的客观需要，它的出现，是不可避免的、是不可或缺的。但是只有理论上的突破禁锢，那还是不够的。物理学要继续向前发展，除了在理论上打破上述禁锢外，还必须在实践上把地球的绝对运动速度测量出来。只有如此，物理学才能摆脱现时套在自己手足上的桎梏。因此，测量地球绝对运动速度，也是物理学发展的客观需要，是运动光学下一步需要解决的问题。 九、结束语。 运动光学起因于对迈克尔逊实验“零效应”的分析与研究。而迈氏实验原来的目的是测量地球的绝对运动速度。由于前文所述的客观物理因素的存在，实验出现了“零效应”。这本来是一次测量错误。但是由于物理界的阴差阳错，把本来应是改变一下测量方法，就能解决的事情（当然其实现的难度是很大的），却错误的把“零效应”绝对化了。以后又发展到认为自然界的长度会在高速下收缩；进而洛仑兹变换；爱因斯坦相对论，光速不变原理，绝对静止坐标系的被否定；相关联的地球绝对运动速度的不存在也不可能测量等等。上面这一系列理性概念的出现并存在，都是事出有因的。它们最初起源于对迈氏实验“零效应”的绝对化，而它们的最终依据也是迈氏实验的“零效应”。至此，围绕地球绝对运动速度的测量问题，在物理学上存在着一个理性概念上的恶性循环。即由迈氏实验开始，又到迈氏实验终。在逻辑上形成周而复始的循环。这一循环不是客观规律固有的循环，是在理性概念出发点上出现的一个错误。正如测量工作上，常用的一句话说的那样：“失之毫厘，谬以千里”。这是一个由一系列理性概念所形成的一个错误循环，这一循环是可以打破的，并且是必须打破的。由于这个错误循环的存在，物理学在部分理论方面，经受着禁锢和在手足上佩戴桎梏之苦。这是今日物理界的现实。运动光学正是破除这一错误循环的理论武器。而对地球绝对运动速度检测的成功，则是物理学在一个方面摆脱桎梏的决定性事件。 在地球绝对运动速度被检测出来，并验证确实无误之日。就是“运动光学理论”更加发扬光大之时，由迈克尔逊-莫雷实验“零效应”的绝对化，所带给光信号传播时间差的冤案，将被洗雪。到那时，迈克尔逊实验悬案，最终能够正确了结。 作者简介：崔木培，男，1930年月10月生。中国计量测试学会会员，河 南省计量测试学会理事，郑州市计量测度学会常务理事。郑州纺织机械厂计量室计术负责人，历任技术员、工程师、1990年晋升高级工程师。1991年底退职。现郑州市老科协协会会员、郑州纺织机械股份有限公司退休干部。 通讯地址：河南省郑州市南阳路东三街头14号楼3号。 邮政编码：450053 联系电话：3852843 |
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。但是，当我们留心观察分析一下，就会发现，在迈克尔逊实验中，光源与接收器是属于同步运动的。因此，其单次光程是L，往返光程是2L。
的存在，只要装置在转动，总有光程差出现，而使计算出现非零结果。可是实际上并没有出现非零结果，这样就促使人们会想到：“零效应的所以会产生，只能是迈氏计算时使用的绝对静止坐标系发生了问题” 。如果否定了绝对静止坐标系，对迈氏实验的“零效应”现象立即就可以得到解释，在上面这一设想过程中，迈氏计算中的
这一错误是有影响的。所以说，由于这一错误的存在，对“零效应”的绝对化起到了一种“诱因的作用” 。
的比值为B：
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