量子力学(3)

三、迈克耳孙—莫雷实验

按照一百多年前人们的认识,如果光是波,那么传播光波的介质就一定是“以太”。为了观测以太是否存在,1887年迈克耳孙与莫雷合作,在美国进行了所谓迈克耳孙—莫雷实验(见图1-8)。实验原理如下:

图1-8 迈克耳孙—莫雷实验原理示意图

就像你在无风日子骑自行车会感受到迎面吹来的“迎面风”一样,如果宇宙空间中存在以太,那么假设以太是以静止的方式平均分布的话,那么地球以每秒30公里的速度围绕太阳运动,地球就一定会遇到以每秒30公里速度迎面吹来的“以太风”。

就像你在奔驰着的敞篷汽车中去测量汽车上的风扇吹出来的风速时,“汽车的迎面风”一定会对风扇吹出来的“风扇风”的速度产生影响一样,在地球穿越宇宙空间时遇到的“迎面吹来的以太风”,就一定会对在地球上以不同方向发出的“地球上的以太风”的速度产生影响,因此如果你在地球上相对于地球迎面吹来的以太风的侧向、迎向、背离方向去测量地球上发出的以太风时(即测量地球上的光波的速度),那么你所测量到的光速应该是不同的。

下面,以通俗易懂的方式说明“迈克耳孙—莫雷实验”原理。

想象一下,有A、B两条速度一模一样的船在一条宽为1千米的河流上在同一地点同时出发航行。A船的任务是顺流而下1千米,然后再逆流返回原地。B船的任务是横渡1千米的河流,然后再横渡回来。因为顺流、逆流与两次侧向水流对船体的综合阻力影响会有微小差别,所以得到的实验结果是:假设A船用了30分钟完成了任务,那么B船就用了29分钟。因为地球相对于静止的以太运动产生的“以太风”,就如同是穿行在流动着的“以太河流中”一样,因此如果存在以太,那么在地球上的不同方向上去测量地球上的光波速度就如同测量A、B两条船向不同方向的航行一样,光速应该存在些许差异。

然而,迈克耳孙—莫雷实验却证明:无论你是侧向或顺逆方向去测量光速,所测得的光的速度都一模一样。在迈克耳孙—莫雷实验之后,科学界又经过多次不同方式的检测,最终得出了确定的惊人结论:宇宙中并不存在一个承载光波介质的“以太”。

光波不是以太的波动又是什么的波动呢?

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