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对迈克尔逊干涉实验的重新分析
（注释：本文用“**1/2”表示开平方） 在19世纪80年代之前，人们对光的认识完全有别于其它物体的运动。人们以为在宇宙空间充满着一种称之为“以太”的特殊粒子，这种“以太”粒子与物质粒子之间没有任何相互作用，因而不会阻碍物质的运动。“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止的状态，光线就在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播。牛顿设想的理想惯性参照系，也就是相对于“以太”海处于禁止状态或作匀速直线运动的坐标系。 1881年，麦克尔逊专门设计了一个被后人命名为“麦克尔逊干涉实验”的光学实验来检验这个假说是否正确。根据矢量合成法则， 如果光线确实是在与绝对空间保持绝对静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播，在相对于“以太”海以速度V运动的地面参照系中，光线在纵向光路前进的速度等于[（CC-VV）**1/2]，在横向光路上向右前进的速度为C－V，经镜面反射后返回向左前进的速度为C＋V。这样，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差将等于： ΔT＝ 2L/[(CC-VV)**1/2]－ [ L/(C+V)+L/(C-V)] ＝{2L/ [(CC-VV)**1/2] }{ 1 － C/[(CC-VV)**1/2]} 当人们在水平地面上把麦克尔逊干涉仪转动90度时，先前的纵向光路和横向光路正好对调，麦克尔逊干涉仪在转动90度的前后两种状态下，两束相干光在互相垂直的光路上走过的时间之差刚好相反，总差值为2倍的ΔT。这样，人们从光线接受屏上就应该看到由传播方向互相垂直的两路相干光所形成的干涉条纹将发生移动，但实验的结果是没有发现干涉条纹有任何移动。同物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止状态的假说本来已经很牵强，原先以为光线是在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播的设想又遭到了实验的否定，人们只能判定：在宇宙空间并不存在与物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子。 对于这个结论，19世纪末的物理学家并不是马上都能够接受。洛仑兹在当时就提出了一个物质分子力“收缩假说”，他认为在横向光路上，由于克尔逊干涉仪以速度V相对于“以太”海运动，物体在这个方向上将发生分子力收缩，克尔逊干涉仪的横向臂长将按照1 ：[（1-VV/CC）**1/2]的比例缩短。于是，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差修正为0。 这样，麦克尔逊干涉仪在转动90度的过程中，干涉条纹不发生移动的现象似乎就得到了理论上的解释。 显然，洛仑兹提出的分子“收缩假说”在原理上难以成立。彭加勒当时就批评说这种做法不自然。人们只要将麦克尔逊干涉仪的纵、横向光路改成不等长的光路，洛仑兹提出的分子“收缩假说”就不能在横向臂长上给出一个可以准确确定出来的缩短比例系数。特别要提请注意的是：我们让麦克尔逊干涉仪的横向臂长固定，只是改变其纵向臂长，也要引起横向臂长收缩系数变化，这是在道理上难以说得过去的事情。 如何解释麦克尔逊干涉实验，在经过多种尝试努力之后，爱因斯坦提出了一个新的假设认为：在所有相互作匀速直线运动的坐标系中，光在真空中的传播速度都完全相同。确实，按照爱因斯坦提出的这个“光速不变原理”假说，很容易在地面参照系中将克尔逊干涉实验结果解释掉。即在与麦克尔逊干涉仪处于静止状态的地面参照系中，根据爱因斯坦提出的光速不变原理，光在纵向光路和横向光路上的传播速度都相同，等于真空中的传播速度C，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差就等于0。无论将麦克尔逊干涉仪转动多少度，干涉条纹都不应该发生移动。可是，当我们在相对于地面参照系具有相对运动速度-V的某个指定参照系中来分析与地面保持静止状态的麦克尔逊干涉仪的情况时，事情就不那么简单了。 根据爱因斯坦提出的光速不变原理，光在任何方向上都句有相同的传播速度C。但是请注意，在运动参照系中，麦克尔逊干涉仪将以速度V作相对运动。在纵向光路上，由于全反射镜以速度V运动，与V同方向前进的光线在穿过45度半透半反射镜后，继续前进到达全反射镜时，所经历的路程是LC /（C-V）。同样，由于45度半透半反射镜也以速度V运动，在纵向光路上，被全反射镜反射回来的光线在到达45度半透半反射镜之时所经历的路程是LC /（C+V）。与此同时，在纵向光路上，由于整个干涉仪器以速度V运动，光线被45度半透半反射镜反射后，从45度半透半反射镜位置前进到全反射镜位置时，所经历的路程是LC/[（CC-VV）**1/2]。同样，由于整个干涉仪器以速度V运动，被纵向光路上的全反射镜反射回来的光线在到达45度半透半反射镜之时，所经历的路程也是LC/[（CC-VV）**1/2]。这样，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差将等于： ΔT ＝2LC/{C[(CC-VV)**1/2]} － {LC/[C(C+V)]＋ LC/[C(C-V)]} ＝{ 2L/ [(CC-VV)**1/2]} { 1 － C/[(CC-VV)**1/2]} 于是，要想在相对于地面参照系具有相对运动速度-V或V的运动参照系中分析与地面保持静止状态的麦克尔逊干涉实验时，也能够计算出两束相干光之间的时间差为0 ，就只能假设在横向光路上，麦克尔逊干涉仪的臂长将按照1 ：[（1-VV/CC）**1/2]的比例缩短。显而易见，只要将麦克尔逊干涉仪的纵、横向光路改成不等长的光路，人们就不能给出一个可以准确确定出来的缩短比例系数。爱因斯坦提出的光速不变原理同样面临着与洛仑兹提出的分子“收缩假说”一样的问题。 不仅如此，根据光速不变原理，光在真空中的传播速度与接受者的运动状态无关，光在遭到镜面等物体反射时，反射光在非实物真空中的传播速度仍然等于入射光在非实物真空中的传播速度，但反射光的波长和频率会随着镜面相对于非实物真空中的光传播媒介物质所作的相对运动进行改变。经过纵向光路出来的光线频率已由于45°半透半反射镜相对于指定参照系以速度V运动而发生了相应地改变，同时经过横向光路出来的光线也因为全反射镜和45°半透半反射镜相对于指定参照系以速度V运动，其频率先后发生了两次相应地改变，只是两次频率的改变正好相反，最后到达光接受屏处的频率与入射光频率保持相同。这样，从纵向光路出来的光束与从横向光路出来的光束将在频率上会有所不同，它们在发生干涉时将产生“拍频”，干涉条纹应该出现时明时暗的交替变化。当V值取的比较小时，这种明暗交替的变化应表现得很明显；而当V值取的很大时，两束光线已经不能产生干涉，在光接受屏上看到的应该是均匀的明亮光斑。人们在实验中从来没有看到过这种根本不可能发生的情况！其实，人们只要将与绝对空间保持静止状态的“以太”海改成可以与地面保持作任意匀速运动的“真空”海，光线在与绝对空间保持静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播，就变成了光相对于不受实际条件限制的任何一个惯性参照系都具有完全相同的真空传播速度。新的假设虽然能够把与干涉仪器保持静止状态的地面参照系中出现的光程差计算困难消除掉，但是它却引来了更严重的恶果。那就是替代“以太”构成真空的“非实物粒子”是比“以太”粒子更让人们难以理解的特殊物质，它怎么可能同时与任意两个相互作匀速直线运动的坐标系都处于静止状态呢？如果确有其事，在与光速有关的物体相对运动观察中，人们就将得出违背数学基本规则的速度叠加计算式子： C ＝ C ＋ V1 ＝ C ＋ V2 ＝ …… 这显然不可能成立。 宇宙空间并不存在完全没有物质的绝对真空。光线既能在具有构成实物的基本粒子的空间中传播，也能在没有构成实物的基本粒子的空间中传播。人们以往所说的真空，实际上指的是只存在不构成实物的基本粒子的空间。光在物质媒介中的传播速度，将由分布在宇宙自然界中的光传播媒介物质所决定。人们可以设想光在没有实物粒子的空间中，光源向任何方向发出的光线相对于光源周围的非实物传播媒介物质都具有完全相同的传播速度。无论是相对于建立在地球表面某个点上好用的惯性参照系，还是相对于建立在太阳或其它星球表面某个点上好用的惯性参照系，光相对于这其中的任何一个惯性参照系都具有完全相同的真空传播速度。光在真空中的传播速度既与光源的运动状态无关，也与接受者的运动状态无关。对安置在地面上与地面保持静止的麦克尔逊干涉仪来说，由于在地球表面空间中的所有存在物质都要受到地球万有引力的作用和惯性定律的制约，干涉仪周围空间中的非实物粒子都相对地面处于静止状态中，人们根据光在真空中传播时其速度永远等于某个常量的理由，完全能够解释麦克尔逊干涉仪在地面上转动方位后干涉条纹不会发生移动的事实。但是这个解释理由充分得过了头！人们在麦克尔逊干涉实验中，把其中一个相干光走过的光路改成玻璃或水等可传播光线的实物介质，另一个相干光走过的光路仍然为非实物粒子的真空，无论人们在水平地面上把麦克尔逊干涉仪转动到哪一个方位，都不会从光线接受屏上看到干涉条纹有任何移动。人们显然不能据此推断说：光在真空及其它可传播光线的实物介质中都是相同的速度。 实验证明，光在不同传播媒介中的运动速度不同，本质上是光在不同传播媒介物质中传播时具有不相同的波长。好似人在好走的路上行走时迈出的步子会大一点，在难走的路上行走时迈出的步子会小一点。但只要人走过的路线及其起始、终止位置已经确定，不管人在行走时的速度是快是慢，他所走过的路程都完全相同。由于光在均匀的每一种传播媒介物质中传播时所具有的每个波长都十分恒定相等，光在确定的空间路线经过后，它需要“迈出”的波长“步子”数值，就已经由具体经过的几何路程及其在传播媒介物质中所特有的波长长度完全决定了。人们可以在麦克尔逊干涉仪器的45°半反半透镜与互相垂直的全反射镜位置各安装上1个滑轮，分别用两根完全一样的黑白相间的链条沿着“麦克尔逊干涉实验”中两条相干光线经过的光路拉起来，在这里，黑色链子用以表示光波的负半波长，白色链子用以表示光波的正半波长，每个黑色链子与每个白色链子的大小完全相同，当人们以飞快的速率同时拉动汇合在一起出来的两根链条，或是以很缓慢的速率同时拉动汇合在一起出来的两根链条时，都会看到汇合在一起出来的两根链条上黑白链子之间挫开的位置变化永远保持着完全相同的距离，它们只与两根链条沿着两条相干光线经过的光路长度有关。按照波动理论，两条相干光束所产生的干涉条纹只与它们之间的位相差有关，两条相干光束走过的光程差保持不变，也就等同于它们之间的位相差没有发生变化，“麦克尔逊干涉实验”除了否定光是在绝对静止的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播外，只是证明了光在真空中传播时其波长保持不改变！正是由于光在真空中传播时其波长保持不变，而且这是与参照系的运动状况无关，显然可以在任意参照系中直接传递应用的事实。人们在20世纪后期，已改成采用光在真空中传播时的波长来作为长度计量的基准。 有人提出，可以把麦克尔逊干涉仪看成一个系统，在运动系中看这个系统的质量增加了，因而作为系统一部分的光子的能量也应该增加，从而使光子的波长也按洛仑兹收缩缩短。如果这种见解属实，就意味着干涉条纹之间的间隔也要发生相应变化。然而实际情况是，干涉条纹没有发生移动，干涉条纹之间的间隔也没有发生变化。此外，采用扬氏双缝干涉实验，可以更加简单明了的证明不存在这种波长会按洛仑兹收缩系数缩短的推测。 这是7月份曾经发出过的帖子内容，请注意文中讲道“根据光速不变原理，……干涉时将产生‘拍频’，干涉条纹应该出现时明时暗的交替变化” 的情况，以及光速不变原理同样面临着与洛仑兹提出的分子“收缩假说”一样的问题。面对这些分析，人们凭什么还要把“光速不变原理”当成事实来接受呢？ CCXDL 2001年8月23日 |