史上著名的物理实验——迈克耳孙-莫雷实验



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史上著名的物理实验——迈克耳孙-莫雷实验

王涛孙建朋

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京210023)

迈克耳孙(Albert A. Michelson，1852—1931)美国物理学家

19世纪流行着以太学说，物理学界普遍认为以太是传播电磁波和光的媒介.在经典物理学理论中，将这种无处不在的以太看作绝对惯性系，只有在这个惯性系里，麦克斯韦方程组才能取标准形式，电磁波沿各个方向的传播速度才能等于c，以太因此成为经典物理学赖以建立的绝对时空的物质框架.因此，寻找以太，用实验去验证以太的存在就成为许多科学家追求的目标.

迈克耳孙的首次实验于1881年进行，他选用了光的干涉方法.如图1所示，若以太存在，则光束1和光束2经折射与反射到达D时，存在时间差，存在明确的干涉条纹的移动个数，但实验结果出乎迈克耳孙的意料，看到的条纹移动比预期值小，而且与地球的运动没有确定的位相关系.于是迈克耳孙大胆推测：结果只能解释为干涉条纹没有位移，可见，静止以太的假设是错误的.1887年迈克耳孙与莫雷(Edward Williams Morley)合作，再度进行“以太漂移速度”的测定，而得到的结果仍然是零，并将实验报告发表在《美国科学杂志》上.

图1

这一否定结果引起物理学界的震惊，让人不得不认识到“以太风”根本不存在.实验的结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此确定了光速不变原理，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个发端.迈克耳孙和莫雷测定“以太漂移速度”的实验虽然“失败”了，但却创造了一种精密度可达四亿分之一的测长仪器.迈克耳孙因在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的基本量度”方面的成就，荣获1907年诺贝尔物理学奖.