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《第5章 收缩假设》




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亿万先生 科普

更新时间:2017年8月06日

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      前文说到麦克斯韦当年给美国航海历书局的托德写了一封信,这封信被另外一个人看到了,而且他正好在协助纽科姆测量光速。此人名叫
迈克尔逊,是美国安纳波利斯海军学院的物理学教师,非常擅长精密测量。他于1880年来到德国,在赫姆霍兹的实验室工作。德国制造光学仪器出名的厉害,直到现在,德国产的镜头仍然是誉满全球,日本的光学技术也是师承德国。迈克尔逊到了德国如鱼得水,借助德国优秀的光学加工能力,他设计了一个非常巧妙的仪器,叫做“干涉仪”

       迈克尔逊用半反射镜A把一束光劈成两束,一半透射过去射到反射镜M1上,然后反射回来,再次到达半反射镜A,经过反射到观察镜头之内。另外一束光被半反射镜A反射,到达反射镜M2,然后被反射回来,穿透A,到达观察镜头之内。两束光形成干涉条纹,可以被观察镜头看到。补偿镜B是为了起到补偿作用,使两路光强度和路线相等,毕竟半反射镜A有厚度,会造成误差。

      假设地球浸泡在以太之中,而且在以太之中穿行,干涉仪的横竖两路光线,有一路跟以太风的方向一致,另一路跟以太风的方向垂直,那么两路光到达望远镜是会有时间差的。如果我们转动干涉仪的方向,那么两路光线跟以太风的方向就不一样了,时间差会有变化。假如转动90度,那么两路光线的状态就会互换,这样一来,干涉条纹会发生移动。迈克尔逊计算了一下,干涉仪臂长1.2米,转动90度以后,干涉条纹应该移动0.04个条纹。别看条纹移动很微小,但是可以用显微镜来放大。

      迈克尔逊的干涉仪安放在柏林大学,后来为了隔绝干扰,他把装置搬到了波茨坦天文台的地下室。实验在1881年4月得出了结果,迈克尔逊差点泄了气——条纹的移动微乎其微,远比他预计的要小得多,基本可以认为没有变化。假如同样的船横渡一条河与沿着一条河行驶速度完全一致,那么只能认为这是一潭死水。迈克尔逊的干涉仪实验基本也是这个结论:以太相对于地球是纹丝不动的,静止的。物理学界都觉得是迈克尔逊的实验做得不够精密,他自己也对这次

      实验很不满意。著名的物理学家开尔文勋爵和麦克斯韦的接班人第二任卡文迪许物理学教授瑞利爵士都鼓励他继续实验下去,于是迈克尔逊下定决心要把此事搞个水落石出。1886年,他跟莫雷搭档,两人在美国改进迈克逊的干涉仪。

      首先要延长干涉仪的臂长,迈克尔逊过去那一架干涉仪臂长只有一点二米,这远远不够。他们在干涉仪里面安装了多面反射镜,用来回反射的方式延长光路。最后干涉仪的等效臂长达到了十一米。过去的环境振动太大,他们就把干涉仪安装在了非常沉重的大理石台面上,台子漂浮在水银之上,可以灵活转动。迈克逊和莫雷想尽了办法隔绝外界干扰,他们预计,这次应该可以看到移动幅度达到零点四条纹。

      两个人伸着脖子观察了四天,最后彻底泄气了。条纹的移动非常微小,移动幅度不到零点零一个条纹。他们本来还打算换个季节再来实验,换个季节,等地球运行到了不同的位置,再看看有什么不同。当初预计有必要不同的季节多次测量,但是现在几乎可以说,以太相对于地球是静止的。当初菲涅尔提出了部分以太拖拽的理论,通俗地说,就是菲涅尔认为十个兵你只能调动七个,剩下三个不听你的,这就是所谓部分拖拽。菲涅尔的计算依据就是仅有一部分以太分子会被拖动,剩下的完全带不动,各种光学实验结果也都支持菲涅尔的想法。现在迈克尔逊和莫雷他们两个发现,分明是完全拖拽,地球周围的以太完完全全跟着地球在走,因此他俩根本测不出来以太相对于地球的流动。于是两个人开始倾向于另外一位物理学家斯托克斯的理论,这位斯托克斯认为:物体是可以完全拖拽以太的,就像扇子在扇风一样,扇子摆动,紧贴扇子的空气被扇子完全带动,但是离得远的就要打折扣,再远一些的地方,空气就完全不受扇子的影响了。
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