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相對論原理·“以太風”
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相對論原理·“以太風”
發(fā)布時間:2008-08-29   字號:

  騎著自行車趕路時,我們常感到清風襲面,格外愜意;乘船在大海里行進時,我們也可以看到水流在嘩嘩地后退,這些都是我們相對于空氣或水運動的結(jié)果。在浩瀚的“以太海洋”中,地球就像一艘巨輪,帶領著我們“乘風破浪”,駛向一個未知的彼岸。然而就像無風的晴朗日子乘坐敞篷車郊游一樣,我們應能“感到”襲面而來的“以太風”,并且這種“風”不僅在地面上流動,還可以在地球內(nèi)部流動,也可以在我們身體內(nèi)部以及地球上一切物質(zhì)的內(nèi)部流動。如果以太總是相對于“宇宙中心”靜止,那么我們在地球上測得的以太風速就應當?shù)扔诘厍虻慕^對運動速度!

  向流動的小溪中投一小塊石子,激起的環(huán)狀水波一邊不斷地擴大,一邊隨著流水向下游漂去(請注意水波圈中心位置的變化),如果我們考察水波相對于岸邊的傳播速度,就不難發(fā)現(xiàn):水波向溪流上游的傳播速度將比向下游的傳播速度慢。既然以太是電磁波的媒介物質(zhì),那么當以太相對地球流動時必定會引起電磁波或光傳播速度的類似變化,根據(jù)經(jīng)典的速度合成法則,若“靜止”以太中的光速是c,而地球上以太風速度大小為u(即地球絕對速度),逆向以太風的光速應是(c-u),順著以太風傳播的光速應是(c+u),而垂直于以太風向兩側(cè)傳播的

  怎樣才能觀察到光速的上述變化呢?由于光速巨大,直接測量光速然后進行比較的辦法是行不通的。1901年,當時還在美國海軍軍官學校任教官的邁克爾遜設計了一個絕妙的實驗。他將一束光線一分為二,分別向兩個垂直的方向傳播,然后再將這兩束光通過平面鏡反射回來進行疊加,由于它們是同頻率的光波,所以疊加時會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象,如果平面鏡稍稍偏轉(zhuǎn),兩束光線疊加后就能形成類似空氣劈尖干涉的條紋。設想這套裝置按照一定的方位擺放時記錄到了某個干涉條紋,將整個裝置旋轉(zhuǎn),由于以太風對光傳播影響的改變,兩束光線的速度也會相應地改變,從而導致疊加光線的光行差改變,干涉條紋定會發(fā)生移動。

  但是,邁克爾遜及其同伴莫雷幾乎耗盡了畢生精力,不斷地改進實驗裝置、提高實驗精度,不斷的改變進行實驗的地理位置,卻從未觀察到過干涉條紋的移動。

  巧妙、縝密的邁克爾遜—莫雷實驗“失敗”了,也可以說想了解地球絕對速度的希望完全破滅了。但如何解釋出于邁克爾遜—莫雷實驗的意外結(jié)果?

  以太的信徒們找了一個牽強的解釋。他們說,就像在密閉的船艙里感受不到陣陣海風,也看不到水缸里的水向后流動一樣,地球附近的以太將隨著地球一起運動,所以在地球上檢測不到“以太風”是正常的。這個解釋對牛頓的絕對運動思想無疑是“釜底抽薪”,而且嚴重地與18世紀英國天文學家布拉德列發(fā)現(xiàn)的光行差現(xiàn)象相矛盾。

  所謂“光行差”,就是從地面上看到的恒星位置(視位置)與恒星的真實位置稍有偏移的現(xiàn)象。下雨天乘汽車外出,向車窗外看去,即便在完全無風的日子里,雨點也是從斜前方滴落的。這顯然是由于汽車相對于空氣運動而引起的。站在地面上的人相對空氣說來是靜止的,在他看來,雨點就是垂直下降的。如果我們把地球比喻成是汽車,以太比喻成為空氣,而把恒星射來的光線比喻成為雨點,那么,若是地球相對于以太在運動的話,地面上看到的星光就應該恰如雨滴一般從斜前方照射過來。結(jié)果,人們果真發(fā)現(xiàn)恒星的視位置比真位置稍往前偏移。于是,這個光行差現(xiàn)象一直被認為是以太在地面上流動的有力證據(jù)。

  還有許多學者提出了各種各樣的假說,來維護絕對運動思想、解釋邁克爾遜的實驗結(jié)果。其中最有名的要數(shù)荷蘭物理學家洛侖茲的想法。他認為“以太風”會使一切實物原子沿運動方向壓扁(洛侖茲收縮),而且會使時鐘走慢,并由這兩個假設得出結(jié)論:客觀自然的造化,使我們不論采用何種方法都無法檢測到以太風。

  洛侖茲的假說勉強解釋了邁克爾遜實驗結(jié)果,但種種離奇的假說像是一連串牽強附會的神話,遠遠偏離了人們對自然規(guī)律簡潔、樸實的認識。澳大利亞物理學家馬赫看到了邁克爾遜的否定結(jié)果后,果斷地說道:

  “讓我們拋棄偏見的時候已經(jīng)到了,以太這個怪物是根本不存在的?!?/P>  

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