迈克耳孙-莫雷实验

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1、迈克耳孙一莫雷实验背景“以太”(ether)是古希腊人设想的一种表示天空构成的元素，它在天空中弥散着，并且对天体的运动不产生阻碍作用。后来，在物理学思想的发展中，“以太”作为一种特殊物质被引进物理学。17世纪，法国科学家笛卡儿为了解释物体之间的作用力，特别是万有引力现象，最先赋予了以太以某种力学性质。在他看来，空间被以太这种连续的媒质所充满，物体之间的所有作用力都是通过它的应变和运动来传递的，不存在任何超距作用。当胡克和惠更斯提出光的波动说时，以太又充当了光波的载体。因为按照当时的力学理论，任何波

2、动都是某种媒介物质的力学振动的传播。由于光可以在真空屮传播，因此以太必然是充满全部空间的，包括真空和对于光是透明的各种物体之中。这样，充满整个宇宙的绝对静止的以太，就成了牛顿绝对时空观的物质框架。因而通过“以太漂移”的实验探索以太的存在状态，就成了非常重要的问题。1728年英国天文学家布莱德雷(J.Bradley,1693—1762)所发现的“光行差”现象，可以看作是关于“以太漂移”的早期观测。但是，如果以太完全不被地球拖曳，运动着的地球就应当感到有“以太风”，这种以太风将会对从不冋方向射到地球的

3、星光产牛.不同的影响，这些速率不同的光线就会在通过望远镜的玻璃透镜时呈现出不同的折射率。从这种考虑出发，1810年法国科学家阿拉果(D.F.J.Arago,1786—1853)用望远镜观察来自不同方向的恒星光线，企图发现由“以太风”的作用而产生的这种效应，却意外地得出了否定的结果。1818年，菲涅耳在得知阿拉果的结果后，写信给阿拉果提出了部分拖曳假说。他指出，只要假设以太有确定的一部分被运动物质曳引，就可以同时使布莱德雷和阿拉果的实验得到解释。1871年，英国天文学家艾里(G.B.Airy,180

4、1—1892)用充水的望远镜测量了光行差，证实了菲涅耳的预言。1851年，法国物理学家菲索(A.11.L.Fizeau,1819—1896)设计了一个实验，实验结果都证实了菲涅耳的以太部分拖曳假说。与菲涅耳相反，英国物理学家斯托克斯(G.G.Stokes,1819—1903)却不相信物体可以在以太中自由穿行而不生扰动。他于1845年提出了以太被运动物体全部拖曳的假说，但为了避免使来自恒星的光穿过一层层运动速度不同的以太时会受到偏折并使其速度发生改变，斯托克斯不得不对以太的性质和运动附加一些特别的假

5、设，才能解释奋关的光学现象。而这些假设又是与力学定律相矛盾的，这使他的全部拖曳假说遭遇了无法克服的困难。关于光学多普勒效应的实验，表明在以c的一阶效应范围内，光学多普勒效应也仅取决于观察者和光源之间的相对运动，发现不了以太风的存在。总之，到19世纪后期，关于以太风是否存在的问题，必须在测定出与（r/c）2成比例的二阶效应的情况下才能作出判定。但当时可利用的最大速率就是地球的周年绕闩轨道速率，即30km/s;它只为光速的10、所以（r/d2的二阶效应的数量级就是1（T8。连麦克斯韦在《大不列颠百科全

6、书》的有关条目里也表示，“考虑到等于地球轨道速度的相对于以太的速度所引起的传播时间的增量,将只有全部传播吋间的一亿分之一，因而是全然觉察不到的。”迈克耳孙-莫雷实验1879年3月，麦克斯韦由于得到美国航海年历局的托德（C.P.Todd）寄给他的一份有关木星的天文表，写信向托德致谢。信中同时询问了通过在地球运动轨道的不同部位所进行的木卫食的观测数据，是否有足够的精确度来确定太阳系相对于以太的绝对运动速度他具体设想，利用半个地球年的两个位置，分别测出两个木卫食的时间，然后把太阳系的速度考虑进去，得到两

7、个时间差值计算式，再根据地球运动轨道的直径值就可以算出太阳系的绝对速度。托德在冋信中说，由于天文数据的精确度较差，进行计算是无意义的。不过麦克斯韦在信中还指出，是否可在地面上进行某种实验，测出地球相对于以太的速度。这种实验所观测的相对时间变动可由下式计算：LL2Lc2LZ1t=+=—7^—（1+了），c+vc-vcc这是一个v!C的二阶效应。他在信中写道：“地面上一切测量光速的方法，都是使光沿同一路径返回，所以测不出地球相对于以太的速度；只有地球运动速度和光速之比的平方，才会对往返的时间产生影响，

8、但这个量是极小的，无法观测出来。”麦克斯韦关于地而上双程光路实验不可能检测到(r/c)2这样微小的效应的这段话，引起了托德的年青同事迈克耳孙(A.A.Michelson,1852—1931)的强烈兴趣，决心实现麦克斯韦提出的通过二阶效应来测定以太漂移速度的想法。迈克耳孙1852年12月19日出生于德国，四岁时就随父母移居美国。1873年以优异成绩毕业于美国海军军官学校，被聘为该校理化教官，并开始从事光速测定的研究工作。1878年他改进了傅科测光速的方法获得了良好的结果，因而被调入美