本文關(guān)鍵詞：莫雷實(shí)驗(yàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)：一種用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直力一向上光速差值的實(shí)驗(yàn)。但結(jié)果證明光速在不同慣性系和不同力一向上都是相同的。由此確定了光速不變原理，促進(jìn)了相對論的建立。

邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)是為了觀測“以太風(fēng)”是否存在而作的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，是在1887年由邁克耳遜與莫雷合作，在美國的克利夫蘭進(jìn)行的。

邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn) - 人物

邁克爾遜

（1852～1931年）美國物理學(xué)家。他創(chuàng)造的邁克耳遜干涉儀對光學(xué)和近代物理學(xué)是一巨大的貢獻(xiàn)。它不但可用來測定微小長度、折射率和光波波長等，也是現(xiàn)代光學(xué)儀器如傅立葉光譜儀等儀器的重要組成部分。他與美國化學(xué)家莫雷（1838～1923年）在1887年利用這種干涉儀，作了著名的“邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了以太的存在，從而奠定了相對論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。1926年用多面旋鏡法比較精密地測定了光的速度。

莫雷

 

(1838—1923)，美國化學(xué)家和物理學(xué)家，他熱愛精密測量，同阿爾伯特·邁克耳孫共同進(jìn)行的著名的邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)未能找到光在其中傳播的‘以太’存在的任何證據(jù).從而否定了以太的存在，為愛因斯坦的狹義相對論的提出建立了一定的基礎(chǔ)。

 

邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn) - 概述

當(dāng)時(shí)認(rèn)為光的傳播介質(zhì)是“以太”。由此產(chǎn)生了一個(gè)新的問題：地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動(dòng)，就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時(shí)，它也必須對光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接憽耙蕴L(fēng)”存在與否。邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動(dòng)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(shè)想的“以太”之間沒有相對運(yùn)動(dòng)。當(dāng)時(shí)邁克耳遜因此認(rèn)為這個(gè)結(jié)果表明以太是隨著地球運(yùn)動(dòng)的。

過程

邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如又圖所示，整個(gè)裝置可繞垂直于豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，P是半鍍銀鏡，M1和M2是兩反射鏡，互相垂直，PM1＝PM2固定不變。從光源S發(fā)出的光經(jīng)P分為兩束，再經(jīng)M1、M2反射后到達(dá)目鏡T處。這兩束光是相干光。假設(shè)地球相對于以太沿PM2運(yùn)行，那么光經(jīng)PM2來回的時(shí)間要長，這兩束光在O點(diǎn)相遇時(shí)有一定的相位差，因此從T處應(yīng)該看到這兩束光的干涉條紋。
他把儀器裝在十分平穩(wěn)的大理石上，并讓大理石漂浮在水銀槽上，可以平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)。他設(shè)想：如果讓儀器轉(zhuǎn)動(dòng)900，光通過OM1、OM2的時(shí)間差應(yīng)改變，干涉條紋要發(fā)生移動(dòng)，從實(shí)驗(yàn)中測出條紋移動(dòng)的距離，就可以求出地球相對以太的運(yùn)動(dòng)速度，從而證實(shí)以太的存在。

然而，出乎意料的是，從實(shí)驗(yàn)中并沒有看到條紋的移動(dòng)�？磥淼厍虻囊苿�(dòng)對光速并沒有影響，即光在地面上沿任何方向傳播的速度都相同。

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋

（GeorgeFitzGerald）在1892年對邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)提出了一種解釋。他指出如果物質(zhì)是由帶電荷的粒子組成，一根相對于以太靜止的量桿的長度，將完全由量桿粒子間取得的靜電平衡決定，而量桿相對于以太在運(yùn)動(dòng)時(shí)，量桿就會(huì)縮短，因?yàn)榻M成量桿的帶電粒子將會(huì)產(chǎn)生磁場，從而改變這些粒子之間的間隔平衡。這一來，邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)所使用的儀器，當(dāng)它指向地球運(yùn)動(dòng)的方向時(shí)就會(huì)縮短，而縮短的程度正好抵消光速的減慢。

有些人曾經(jīng)試行測量菲茨杰拉德的縮短值，但都沒有成功。這類實(shí)驗(yàn)表明菲茨杰拉德的縮短，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)體系內(nèi)是不能被處在這個(gè)運(yùn)動(dòng)體系內(nèi)的觀察者測量到的，所以他們無法判斷他們體系內(nèi)的絕對速度，光學(xué)的定律和各種電磁現(xiàn)象是不受絕對速度的影響的。再者，動(dòng)系中的短縮，乃是所有物體皆短縮，而動(dòng)系中的人，是無法測量到自己短縮值的。

1904年，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲提出了著名的洛侖茲變換，用于解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。根據(jù)他的設(shè)想，觀察者相對于以太以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，長度在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生收縮，抵消了不同方向上由于以太所造成的光速差異，這樣洛侖茲就在不拋棄以太概念的前提下解釋了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

1905年，愛因斯坦在拋棄以太、以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了狹義相對論。狹義相對論認(rèn)為空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立，而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體，并不存在絕對的空間和時(shí)間。在狹義相對論中，整個(gè)時(shí)空仍然是平直的、各向同性的和各點(diǎn)同性的。結(jié)合狹義相對性原理和上述時(shí)空的性質(zhì),也可以推導(dǎo)出洛侖茲變換。

里茨在1908年設(shè)想光速是依賴于光源的速度的，企圖以此解釋邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)。但是德·希特于1931年在萊頓大學(xué)指出，如果是這樣的話，那末一對相互環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的星體將會(huì)出現(xiàn)表觀上的異常運(yùn)動(dòng)，而這種現(xiàn)象并沒有觀察到。由此也證明了愛因斯坦提出的光速和不受光源速度和觀察者的影響是正確的，而且既然沒有一種靜止的以太傳播光波振動(dòng)，牛頓關(guān)于光速可以增加的看法就必須拋棄。

有人認(rèn)為，愛因斯坦在提出狹義相對論的過程中，曾經(jīng)受到過邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。John.Stachel在《愛因斯坦和以太漂移實(shí)驗(yàn)》一文中指出，有間接的有力證據(jù)表明，愛因斯坦在1889年一定知道邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)，并從1889～1901年間，持續(xù)感興趣于設(shè)計(jì)光學(xué)實(shí)驗(yàn),以檢查地球穿行于以太的假定運(yùn)動(dòng)。

愛因斯坦在1922年，在《我是怎樣創(chuàng)造了相對論》中說道:「那時(shí)我想用某種方法演示地球相對以太的運(yùn)動(dòng)……，在給自己提出這一問題時(shí)，，我沒有懷疑過以太的存在和地球的運(yùn)動(dòng)。于是，我預(yù)料如果把光源發(fā)出的光線用鏡子反射，則當(dāng)它的傳播方向是平行或反平行于地球的運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，應(yīng)該具有不同的能量。所以我提出使用兩個(gè)熱電偶，利用測量它們所生熱量的差值,來證實(shí)這一點(diǎn)。

邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn) - 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的再驗(yàn)證

1893年洛奇在倫敦發(fā)現(xiàn)，光通過兩塊快速轉(zhuǎn)動(dòng)的巨大鋼盤時(shí)，速度并不改變，表明鋼盤并不把以太帶著轉(zhuǎn)。對恒星光行差的觀測也顯示以太并不隨著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。

人們在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間多次重復(fù)了邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)，并且應(yīng)用各種手段對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，精度不斷提高。除光學(xué)方法外，還有使用其他技術(shù)進(jìn)行的類似實(shí)驗(yàn)。如1958年利用微波激射所做的實(shí)驗(yàn)得到地球相對以太的速度上限是3×10-2km/s，1970年利用穆斯堡爾效應(yīng)所做的實(shí)驗(yàn)得到此速度的上限只有5×10-5km/s。綜合各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人們基本可以判定地球不存在相對以太的運(yùn)動(dòng)。

邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn) - 參考文獻(xiàn)

《大學(xué)物理》 吳百詩 高等教育出版社

《現(xiàn)代物理知識(shí)》 郁忠強(qiáng)  科學(xué)出版社出版

《物理實(shí)驗(yàn)》 孫景春 物理實(shí)驗(yàn)雜志社

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