? ? 提到邁克爾—莫雷干涉實(shí)驗(yàn)，那就得先從19世紀(jì)物理學(xué)大廈兩朵烏云講起甫菠。1900年挠铲，英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文男爵也開(kāi)始承認(rèn)，物理學(xué)的天空中飄著令人不安的烏云寂诱。
開(kāi)爾文在皇家學(xué)家的演講中提到：
“十九世紀(jì)已將物理學(xué)大廈全部建成拂苹，今后物理學(xué)家的任務(wù)只是修飾和完善這座大廈，……物理學(xué)晴朗的天空還存在兩朵小小的烏云痰洒，一朵是熱輻射中的‘紫外災(zāi)難’瓢棒，另一朵是邁克爾—莫雷干涉實(shí)驗(yàn)的以太零結(jié)果”。這就是開(kāi)爾文所預(yù)言的“兩朵烏云”丘喻，但是他沒(méi)想到的是脯宿，就是晴朗天空上兩朵小小的烏云，不斷升級(jí)演化成巨大的風(fēng)暴泉粉。正是這兩朵烏云的突破连霉，建立了近代物理學(xué)的兩大支柱：量子力學(xué)和相對(duì)論。前面我們說(shuō)到了狹義相對(duì)論的根基嗡靡，光速不變?cè)矶搴场Ｒ簿褪菍?duì)于任何一個(gè)觀察者，不管他的運(yùn)動(dòng)速度是多少讨彼，他去測(cè)量光速永遠(yuǎn)都會(huì)得到一個(gè)不變的值歉井。既然說(shuō)到了測(cè)量，那科學(xué)家究竟是如何證明光速真的是不變的呢点骑？這就要說(shuō)到19世紀(jì)末那個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)——邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)酣难。我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)看這個(gè)實(shí)驗(yàn)是怎么證明光速不變的。理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)黑滴，需要建立三個(gè)階段的認(rèn)知憨募。
1. 波的傳播需要介質(zhì)
第一階段，我們要理解：波動(dòng)的傳播是需要介質(zhì)的袁辈。
1.1 什么是波菜谣？
光，其實(shí)就是電磁波晚缩。跟我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的聲波尾膊、水波一樣，電磁波也是一種波動(dòng)荞彼，它是電磁場(chǎng)的波動(dòng)冈敛。
水波和聲波很好理解，比如你往水里扔一塊石頭鸣皂，這塊石頭會(huì)在水面上泛起漣漪抓谴，漣漪會(huì)以石頭為中心擴(kuò)散出去暮蹂；我們之所以能聽(tīng)到聲音，是因?yàn)榭諝獾牟▌?dòng)傳到了人的耳朵里癌压，刺激了聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)仰泻。水波和聲波分別是水和空氣在作上下起伏的振動(dòng)，而電磁波也是電場(chǎng)和磁場(chǎng)在作類(lèi)似的變化滩届。
1.2 光波靠什么傳播集侯？
這里就出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：波的傳播是需要介質(zhì)的。聲音在空氣里傳播帜消，空氣就是聲音傳播的介質(zhì)棠枉。我們上中學(xué)的時(shí)候都做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把一個(gè)正在響的鬧鐘放在玻璃罩子里，如果你把玻璃罩子里的空氣不斷抽走泡挺，就會(huì)發(fā)現(xiàn)鬧鐘的聲音越來(lái)越小术健，等空氣都抽完了，你也聽(tīng)不到鬧鐘的聲音了粘衬。這就是因?yàn)榭諝庾鳛榻橘|(zhì)不存在了，聲音也就無(wú)法傳播了咳促。
但電磁波的傳播似乎不需要介質(zhì)稚新，因?yàn)橛钪骘w船跟地球通信，用的就是電磁波跪腹。在太空中褂删，沒(méi)有水也沒(méi)有空氣，電磁波是怎么傳播的呢冲茸？
于是早年的科學(xué)家們就提出了一種假想的介質(zhì)屯阀，叫做以太（Ether）。以太這種東西看不見(jiàn)摸不著轴术，彌漫在整個(gè)宇宙空間當(dāng)中难衰，光和電磁波就是通過(guò)以太這種介質(zhì)進(jìn)行傳播的。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)最初的目的逗栽，就是去尋找以太這種物質(zhì)盖袭。
2. 波的干涉現(xiàn)象
這就來(lái)到了第二階段的認(rèn)知，我們要理解一個(gè)物理現(xiàn)象彼宠。只要是波鳄虱，不管是聲波還是光波，甚至我們?cè)谥蟮恼n程中會(huì)介紹的物質(zhì)波凭峡，它們都有一個(gè)現(xiàn)象拙已，叫做波的干涉。
2.1 波的疊加原理
一束波摧冀，準(zhǔn)確的說(shuō)是橫波倍踪，它的樣子大概是一條上下振動(dòng)的曲線系宫，中學(xué)里學(xué)過(guò)的有正弦波和余弦波。波惭适，有波峰和波谷◇仙現(xiàn)在想象一下你是一個(gè)空氣分子，當(dāng)一束聲波傳過(guò)來(lái)的時(shí)候癞志，你如果經(jīng)歷了這個(gè)波動(dòng)往枷，你就會(huì)上下運(yùn)動(dòng)起來(lái)。當(dāng)波峰經(jīng)過(guò)你的時(shí)候凄杯，你會(huì)向上運(yùn)動(dòng)错洁，波谷經(jīng)過(guò)你的時(shí)候你就向下運(yùn)動(dòng)。
再考慮如果有兩束振動(dòng)情況相同的聲波同時(shí)向你傳遞過(guò)來(lái)戒突，兩束波都經(jīng)過(guò)你的時(shí)候你會(huì)怎么振動(dòng)屯碴？其實(shí)就是把兩束波的運(yùn)動(dòng)直接相加：如果兩束波都讓你往上運(yùn)動(dòng)，你的運(yùn)動(dòng)幅度就比一束波的時(shí)候更大膊存；如果一束讓你往上导而，一束讓你往下，你就折中一下隔崎，干脆不動(dòng)了今艺，這就是波的疊加原理。
2.2 光波的疊加的效果
只要是波爵卒，都滿(mǎn)足疊加原理虚缎。如果換成是光波，假設(shè)有兩束光波的波峰同時(shí)經(jīng)過(guò)你钓株，你的振動(dòng)幅度更大实牡，能量更強(qiáng)，就會(huì)顯得更明亮轴合。如果是一個(gè)波峰和一個(gè)波谷經(jīng)過(guò)你创坞，你的振幅小，能量弱受葛，就會(huì)變暗摆霉。
所以當(dāng)兩束光打到同一片區(qū)域發(fā)生干涉現(xiàn)象時(shí)，有的位置是波峰碰波峰奔坟，或者波谷碰波谷携栋，有的地方是波峰碰波谷，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)就會(huì)形成明暗相間的條紋咳秉。
3. MM實(shí)驗(yàn)的原理
第三階段婉支，我們來(lái)了解一下邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的原理，它就是基于波的干涉現(xiàn)象發(fā)明出來(lái)的澜建。
邁克爾遜和莫雷是兩位物理學(xué)家的名字向挖，他們因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)獲得了1907年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)蝌以。這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是為了去驗(yàn)證以太是否存在。
3.1 波相對(duì)于介質(zhì)的速度永遠(yuǎn)恒定
首先要明確一點(diǎn)何之，波相對(duì)于它的介質(zhì)的速度是恒定的跟畅。我們說(shuō)聲速是340m/s，其實(shí)指的是聲音相對(duì)于空氣的速度溶推』布空氣靜止的時(shí)候，聲速對(duì)于人來(lái)說(shuō)也是340m/s蒜危，但如果風(fēng)是伴隨著一個(gè)聲音迎面吹來(lái)的虱痕，這個(gè)時(shí)候聲音相對(duì)于你的速度就不是340m/s了。
以太被假設(shè)為光的傳播介質(zhì)辐赞，所以光相對(duì)于以太的速度是恒定的部翘，就是每秒30萬(wàn)公里。
如果以太存在的話响委，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們假設(shè)它是彌漫在全宇宙空間中新思，相對(duì)于太陽(yáng)是靜止的。
地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度是30km/s赘风，所以地球是在以太中穿行的表牢。如果一個(gè)人站在北極點(diǎn)，面向地球公轉(zhuǎn)的方向贝次，就會(huì)有一陣以太風(fēng)，以地球公轉(zhuǎn)的速度迎面吹來(lái)彰导，雖然他感覺(jué)不到蛔翅。
3.2 MM實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)置
邁克爾遜和莫雷做了一臺(tái)儀器，名叫邁克爾遜干涉儀位谋。
首先左邊是一個(gè)光源山析，它會(huì)發(fā)出一束光，打到中間的分光鏡上掏父；
分光鏡會(huì)把這束光分為兩束笋轨，一束繼續(xù)向右，一束垂直于原方向向上射出赊淑；
然后在右邊和上邊各放一面鏡子爵政，鏡子會(huì)讓兩束光線回彈；
這兩束光線在中間匯聚以后陶缺，再被一個(gè)裝置匯聚到下方钾挟。
這里要明確的是，兩面反射鏡跟中間分光鏡的距離饱岸，須調(diào)節(jié)至完全相等掺出。
3.3 MM實(shí)驗(yàn)的干涉條紋
那么根據(jù)波的干涉原理徽千，這兩束光匯聚以后打到同一個(gè)地方，就會(huì)發(fā)生上面所說(shuō)的干涉現(xiàn)象汤锨，產(chǎn)生一個(gè)明暗相間的條紋双抽。
具體干涉的形態(tài)跟什么有關(guān)呢？跟兩束光傳遞到下面這個(gè)觀察處的時(shí)間差有關(guān)闲礼。不妨想象一下牍汹，我們假設(shè)一個(gè)有兩束波，他們的波長(zhǎng)完全相同位仁，傳遞的速度也完全相同柑贞，那么兩束波的運(yùn)動(dòng)周期也是一樣的，我們不妨假設(shè)波的周期是兩秒鐘聂抢，也就是一個(gè)完整的波需要兩秒鐘才能傳遞完钧嘶，好了，如果兩束波到達(dá)的時(shí)間差是兩秒鐘的整數(shù)倍琳疏，那么這兩束波的步調(diào)就是完全一致的有决，要么波峰和波谷一定是同時(shí)到達(dá)的，但是如果兩束波到達(dá)的時(shí)間差是一秒鐘空盼，或者說(shuō)是奇數(shù)秒鐘书幕，3秒，5秒揽趾，7秒台汇，那么就會(huì)出現(xiàn)波峰遇到波谷的情況。
3.4 如果以太存在……
現(xiàn)在我們來(lái)調(diào)節(jié)一下整臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器的方位篱瞎，讓向右傳播的光線的方向苟呐，剛好是逆著以太風(fēng)運(yùn)行的。那么相應(yīng)的俐筋，向上傳播的光線的方向牵素，就垂直于以太風(fēng)。
這種情況下澄者，如果以太存在笆呆，兩束波到達(dá)下方匯聚的時(shí)候，一定會(huì)存在一個(gè)時(shí)間差粱挡。道理很簡(jiǎn)單赠幕，因?yàn)橄蛴疫厒鞑サ墓饩€到達(dá)右邊的鏡子再?gòu)椈貋?lái)，去的時(shí)候是逆風(fēng)询筏，回來(lái)的時(shí)候是順風(fēng)劣坊。所以對(duì)于這個(gè)放在地球上不動(dòng)的干涉儀來(lái)說(shuō)，光線去的時(shí)候和回來(lái)的時(shí)候速度是不一樣的屈留。并且光一來(lái)一回走過(guò)的路程局冰，也就是右邊鏡子到中間分光鏡的距離测蘑，是可以量出來(lái)的，這樣就可以計(jì)算出這一來(lái)一回的時(shí)間康二。
同理碳胳，向上射出的光線雖然既不逆風(fēng)也不順風(fēng)，它一來(lái)一回的時(shí)間也能計(jì)算出來(lái)沫勿。最后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)時(shí)間是不一樣的挨约，所以這兩束光匯聚后會(huì)形成干涉條紋。
這個(gè)時(shí)候如果轉(zhuǎn)動(dòng)這臺(tái)干涉儀产雹，比如讓它轉(zhuǎn)過(guò)45度角诫惭。那么在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，兩束光線相對(duì)于以太風(fēng)的運(yùn)動(dòng)方式一直在改變蔓挖，所以它們相對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器的速度也一直在變夕土。可以想象瘟判，兩束光的時(shí)間差在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中也一直在改變怨绣，最后就會(huì)影響到干涉條紋。也就是如果以太風(fēng)存在的話拷获，干涉條紋的形狀會(huì)發(fā)生變化篮撑。
3.5 MM實(shí)驗(yàn)的結(jié)果
然而這個(gè)實(shí)驗(yàn)做出來(lái)的結(jié)果令人大失所望，不管你怎么轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器匆瓜，干涉條紋都不發(fā)生一丁點(diǎn)的變化赢笨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟以太的基本假設(shè)完全不一致。
所以驮吱，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果向我們證明了兩件事：第一茧妒，以太并不存在，光可以在真空中傳播糠馆，不需要任何介質(zhì)；第二怎憋，光速跟測(cè)量者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒(méi)有關(guān)系又碌，它在任何情況下都是不變的。很顯然绊袋，地球的公轉(zhuǎn)完全沒(méi)有影響到我們測(cè)量的光速大小毕匀。
并且，科學(xué)家充分發(fā)揮了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)證精神癌别，在地球上的各種地方皂岔，在不同的山上都做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。甚至到了21世紀(jì)還有人去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)展姐，實(shí)驗(yàn)設(shè)備達(dá)到了10億億分之一的精度躁垛，仍然沒(méi)有什么結(jié)果剖毯。
這里就印證了我在綜述里介紹的方法論：先歸納，基于波相對(duì)于介質(zhì)速度不變這一點(diǎn)教馆，假設(shè)光相對(duì)于以太的速度也不變逊谋；再推演，推導(dǎo)出如果以太存在土铺，會(huì)有干涉條紋的變化發(fā)生胶滋；最后驗(yàn)證，驗(yàn)證出來(lái)跟推演不符悲敷，就說(shuō)明一開(kāi)始的歸納錯(cuò)了究恤，以太并不存在。
到這里后德，我們就通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了光速不變?cè)聿克蕖Ｈ绻阋^續(xù)問(wèn)，為什么光速是不變的探遵？這個(gè)問(wèn)題就無(wú)法回答了窟赏，因此它是基本原理。原理是通過(guò)歸納法歸納得來(lái)的箱季，是邏輯推理的源頭涯穷，它不能用演繹法證明出來(lái)，也就不能問(wèn)為什么藏雏，只能說(shuō)世界的規(guī)律本來(lái)如此拷况，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。我們只能把光速不變?cè)懋?dāng)成推理的原點(diǎn)掘殴，承認(rèn)它的正確性赚瘦，再由此出發(fā)，看看這個(gè)原理能推導(dǎo)出什么結(jié)論奏寨。
