迈克尔逊—莫雷实验.docx

迈克尔逊一莫雷实验 迈克尔逊一莫雷实验 1、“以太”的历史 “以太”的概念有着漫长的历史。古希腊时代， 以太指的是青天或上层大气，有时也表示占据天 体空间的物质；亚里士多德就曾把它视为构成天 体的基本元素。17世纪的笛卡儿首先将以太引 入科学，并赋予它的力学性质。在笛卡儿看来， 物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒 介物质来传递，不存在任何超距作用。因此，空 间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质 所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却 能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用 力。他甚至试图用以太的涡漩来说明天体的运 动，例如提出涡漩携带着行星绕太阳转动。 光的 波动说的始祖胡克和惠更斯为解释光现象，都假 设存在着以太。牛顿也像笛卡儿一样反对超距作 用并承认以太的存在。在他看来，以太不一定是 单一的物质，因而能传递各种作用，如产生电、 磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传 播振动，但以太的振动不是光，因为光的波动学 说（当时人们还不知道横波，光波被认为是和声 波一样的纵波）不能解释现在称为的光的偏振现 象，也不能解释光的直线传播现象。 18世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡 儿主义者拒绝引力的平方反比定律而使牛顿的 追随者起来反对笛卡儿哲学体系，连同他倡导的 以太论也在被反对之列。随着引力的平方反比定 律在天体力学方面的成功以及探寻以太未获实 际结果，使得超距作用观点得以流行。光的波动 说也被放弃了，微粒说得到广泛的承认。到 18 世纪后期，证实了电荷之间（以及磁极之间）的 作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太 的概念亦被抛弃，超距作用的观点在电学中也占 了主导地位。 进入19世纪，由于光的波动论的复活和电磁 理论的发展，以太问题成为科学家研究的热门课 题。在19世纪上半叶，所有研究以太问题的人 都是期望建立一个合理的光理论而探讨它的，阿 拉戈实验和光行差被看作是这个理论的试金石。 后来人们着手讨论光行差理论，也是期望它能提 供一种以太模型，以便利用这种以太模型解决光 的横波理论所面临的严重困难。 菲涅耳用波动说成功地解释了光的衍射现 象，他提出的理论方法能正确地计算出衍射图 样，并能解释光的直线传播现象。菲涅耳进一步 解释了光的双折射，获得很大成功。 1823年他 根据杨的光波为横波的学说和他自己 1818年提 出的透明物质中以太密度与其折射率二次方成 正比的假定，在一定的边界条件下，推出关于反 射光和折射光振幅的著名公式。 菲涅耳关于以 太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太 参照系运动的透明物体中的速度公式。 1818年 他为了解释阿拉戈关于星光折射行为的实验，在 杨的想法基础上提出：透明物质中以太的密度与 该物质的折射率二次方成正比，他还假定当一个 物体相对以太参照系运动时，其内部的以太只是 超过真空的那一部分被物体带动(以太部分曳引 假说)。由此即可得出物体中以太的平均速度为 (1 1/n2)，其中V为物体的速度。系数(1 1/n2)称为菲 涅耳系数。利用以上结果不难推得：在以太参照 系中，运动物体内光的速度为： u Cn (1 1/n2) cos 其中B为u与v之间的夹角。上式称为菲涅耳运 动媒介光速公式。它为以后的斐索实验所证实。 19世纪中期曾进行了一些实验以求显示地 球相对以太参照系运动所引起的效应，并由此测 定地球相对以太参照系的速度U,但都得出否定 的结果。这些实验结果可从上述菲涅耳理论得到 解释。根据菲涅耳运动媒质中的光速公式， 当实 验精度只达到/C量级时，地球相对以太参照系的 速度在这些实验中不会表现出来。 要测出U,精 度至少要达到2/c2的量级（估计7c2 10 8 ）,而当 时的实验都未达到此精度。在杨和菲涅耳的工作 之后，光的波动说就在物理学中确立了它的地 位。 2、以太的实验研究 1870年前后天文学家关于光的传播方式的 研究发生了兴趣。引起他们兴趣的直接原因是迈 克尔逊一莫雷实验，可是另一个重要的因素是麦 克斯韦的电磁理论，该理论大大提高了以太在物 理学中的地位。1879年，麦克斯韦又提出了一 种探测以太方法：让光线分别在平行和垂直于地 球运动的方向等距离地往返传播，平行于地球运 动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间。 1888年，赫兹的实验不仅仅是证实了麦克斯韦 的预言，在当时物理学家的心目中，它也是以太 存在的明证。在以太问题的研究中，一个最恼人 的问题是以太漂移问题：地球通过以太运动，二 者的相对运动究竟是怎样的？ 17世纪，英国天文学家布雷德利(J .Bradley , 1693?1762)为了寻找回地球公转所引起的恒星 视差，从 仃25年12月到1726年12月持续进行 观察，发现恒星表观位置在一年内确有变化； 这 就是所谓的“光行差”现象。这