物理學天空第一朵烏雲,邁克爾遜-莫雷實驗與 “以太漂移”的矛盾

物理學天空第一朵烏雲,邁克爾遜-莫雷實驗與 “以太漂移”的矛盾

威廉.湯姆生

第一次明確提出物理學中的存在兩朵烏雲的是開爾文男爵,19世紀的一天,歐洲著名的科學家歡聚一堂,舉行科技大會,期間著名的英國物理學家威廉.湯姆生(開爾文)發表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說,物理大廈已經落成,以後所剩只是一些修飾工作;同時他在展望20世紀物理學前景時講道:“我們取得的關於運動與力的理論是無比優美簡潔的,熱和光是運動的兩種方式。但是現在,美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了,這讓我非常不安”。

物理學天空第一朵烏雲,邁克爾遜-莫雷實驗與 “以太漂移”的矛盾

物理學天空的兩朵烏雲

開爾文說的第一朵烏雲就是邁克爾遜-莫雷實驗與經典時空理論中的“以太漂移”學說之間的矛盾。

古希臘的學者亞里士多德認為下界為火、水、土、氣四元素組成;上界由第五元素,“以太”組成。後來隨著化學的發展,亞里士多德的五元素說逐步退出科學的殿堂。牛頓發現萬有引力後,為了解釋萬有引力在真空中的傳播,牛頓復活了亞里士多德的“以太”,牛頓 認為“以太”是宇宙真空中引力的傳播介質。

物理學天空第一朵烏雲,邁克爾遜-莫雷實驗與 “以太漂移”的矛盾

後來,物理學家麥克斯韋又發展了牛頓的“以太”學說,麥克斯韋認為“以太”既具有電磁的性質,又是電磁作用的傳遞者,同時具有機械力學的性質,它是絕對靜止的參考系,一切運動都相對於它進行。物麥克斯韋又發展了牛頓的“以太”說,使得電磁理論、牛頓力學取得協調一致。“以太”是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受,形成了一門“以太學”。

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以太分佈圖(假想)

既然牛頓的萬有引力定律、麥克斯韋的電磁理論都是建立在“以太學”基礎之上,那麼尋找“以太”就變得迫在眉睫了。於是1887年,為了尋找“以太”存在的證據,物理學家邁克耳遜與化學家、物理學家莫雷合作,在克利夫蘭進行了一個著名的實驗:“邁克耳遜-莫雷實驗”, 具體原理如下:

物理學天空第一朵烏雲,邁克爾遜-莫雷實驗與 “以太漂移”的矛盾

邁克耳遜-莫雷實驗

然而實驗結果與科學家們預想的大相徑庭,不論地球運動的方向同光的射向一致或相反,測出的光速都相同,在地球同設想的組成絕對靜止空間的“以太”之間沒有相對運動,即根本找不到“以太”或“絕對靜止的空間”。由於這個實驗在理論上簡單易懂,方法上精確可靠,而得到的結果與科學家們預想的完全相反,不僅沒有找到“以太”存在的證據,反而使科學家處於更加尷尬的境地。因為邁克耳遜-莫雷實驗動搖了整個經典物理學的理論基礎,使得牛頓力學、麥克斯韋電磁理論變成了無根浮萍。

物理學天空第一朵烏雲,邁克爾遜-莫雷實驗與 “以太漂移”的矛盾

愛因斯坦:相對論

後來愛因斯坦為了解決科學家們的尷尬處境,提出了光速不變原理,並以此為基礎導出了時間會膨脹、空間會收縮、質量與能量可以互相轉化等一系列匪夷所思的結論,我們把這些結論稱為相對論,最可怕的實驗證明愛因斯坦是對的!

雖然物理學天空的兩朵烏雲引起了劇烈的風暴,但同時也催生了科學家最偉大的發現,本人會在以後的文章慢慢介紹,歡迎大家關注我的頭條好“白說世界”。


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