【极快篇 | 第一章：狭义相对论】02 MM实验：“以太”并不存在

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上一节我们说到了狭义相对论的根基，光速不变原理。也就是对于任何一个观察者，不管他的运动速度是多少，他去测量光速永远都会得到一个不变的值。既然说到了测量，那科学家究竟是如何证明光速真的是不变的呢？这就要说到19世纪末那个著名的实验——迈克尔逊-莫雷实验。这一节，我们就来说说看这个实验是怎么证明光速不变的。理解这个实验，需要建立三个阶段的认知。

1. 波的传播需要介质

第一阶段，我们要理解：波动的传播是需要介质的。

1.1 什么是波？

光，其实就是电磁波。跟我们日常生活中接触到的声波、水波一样，电磁波也是一种波动，它是电磁场的波动。

水波和声波很好理解，比如你往水里扔一块石头，这块石头会在水面上泛起涟漪，涟漪会以石头为中心扩散出去；我们之所以能听到声音，是因为空气的波动传到了人的耳朵里，刺激了听觉神经。水波和声波分别是水和空气在作上下起伏的振动，而电磁波也是电场和磁场在作类似的变化。

1.2 光波靠什么传播？

这里就出现了一个问题：波的传播是需要介质的。声音在空气里传播，空气就是声音传播的介质。我们上中学的时候都做过一个实验：把一个正在响的闹钟放在玻璃罩子里，如果你把玻璃罩子里的空气不断抽走，就会发现闹钟的声音越来越小，等空气都抽完了，你也听不到闹钟的声音了。这就是因为空气作为介质不存在了，声音也就无法传播了。

但电磁波的传播似乎不需要介质，因为宇宙飞船跟地球通信，用的就是电磁波。在太空中，没有水也没有空气，电磁波是怎么传播的呢？

于是早年的科学家们就提出了一种假想的介质，叫做以太（Ether）。以太这种东西看不见摸不着，弥漫在整个宇宙空间当中，光和电磁波就是通过以太这种介质进行传播的。迈克尔逊-莫雷实验最初的目的，就是去寻找以太这种物质。

2. 波的干涉现象

这就来到了第二阶段的认知，我们要理解一个物理现象。只要是波，不管是声波还是光波，甚至我们在之后的课程中会介绍的物质波，它们都有一个现象，叫做波的干涉。

2.1 波的叠加原理

一束波，准确的说是横波，它的样子大概是一条上下振动的曲线，中学里学过的有正弦波和余弦波。波，有波峰和波谷。现在想象一下你是一个空气分子，当一束声波传过来的时候，你如果经历了这个波动，你就会上下运动起来。当波峰经过你的时候，你会向上运动，波谷经过你的时候你就向下运动。

再考虑如果有两束振动情况相同的声波同时向你传递过来，两束波都经过你的时候你会怎么振动？其实就是把两束波的运动直接相加：如果两束波都让你往上运动，你的运动幅度就比一束波的时候更大；如果一束让你往上，一束让你往下，你就折中一下，干脆不动了，这就是波的叠加原理。

2.2 光波的叠加的效果

只要是波，都满足叠加原理。如果换成是光波，假设有两束光波的波峰同时经过你，你的振动幅度更大，能量更强，就会显得更明亮。如果是一个波峰和一个波谷经过你，你的振幅小，能量弱，就会变暗。

所以当两束光打到同一片区域发生干涉现象时，有的位置是波峰碰波峰，或者波谷碰波谷，有的地方是波峰碰波谷，在这个区域内就会形成明暗相间的条纹。

3. MM实验的原理

第三阶段，我们来了解一下迈克尔逊-莫雷实验的原理，它就是基于波的干涉现象发明出来的。

迈克尔逊和莫雷是两位物理学家的名字，他们因为这个实验获得了1907年的诺贝尔物理学奖。这个实验就是为了去验证以太是否存在。

3.1 波相对于介质的速度永远恒定

首先要明确一点，波相对于它的介质的速度是恒定的。我们说声速是340m/s，其实指的是声音相对于空气的速度。空气静止的时候，声速对于人来说也是340m/s，但如果风是伴随着一个声音迎面吹来的，这个时候声音相对于你的速度就不是340m/s了。

以太被假设为光的传播介质，所以光相对于以太的速度是恒定的，就是每秒30万公里。

如果以太存在的话，当时的科学家们假设它是弥漫在全宇宙空间中，相对于太阳是静止的。

地球围绕太阳公转的速度是30km/s，所以地球是在以太中穿行的。如果一个人站在北极点，面向地球公转的方向，就会有一阵以太风，以地球公转的速度迎面吹来，虽然他感觉不到。

3.2 MM实验仪器的设置

迈克尔逊和莫雷做了一台仪器，名叫迈克尔逊干涉仪。

首先左边是一个光源，它会发出一束光，打到中间的分光镜上；

分光镜会把这束光分为两束，一束继续向右，一束垂直于原方向向上射出；

然后在右边和上边各放一面镜子，镜子会让两束光线回弹；

这两束光线在中间汇聚以后，再被一个装置汇聚到下方。

这里要明确的是，两面反射镜跟中间分光镜的距离，须调节至完全相等。

3.3 MM实验的干涉条纹

那么根据波的干涉原理，这两束光汇聚以后打到同一个地方，就会发生上面所说的干涉现象，产生一个明暗相间的条纹。

具体干涉的形态跟什么有关呢？跟两束光传递到下面这个观察处的时间差有关。不妨想象一下，我们假设一个有两束波，他们的波长完全相同，传递的速度也完全相同，那么两束波的运动周期也是一样的，我们不妨假设波的周期是两秒钟，也就是一个完整的波需要两秒钟才能传递完，好了，如果两束波到达的时间差是两秒钟的整数倍，那么这两束波的步调就是完全一致的，要么波峰和波谷一定是同时到达的，但是如果两束波到达的时间差是一秒钟，或者说是奇数秒钟，3秒，5秒，7秒，那么就会出现波峰遇到波谷的情况。

3.4 如果以太存在……

现在我们来调节一下整台实验仪器的方位，让向右传播的光线的方向，刚好是逆着以太风运行的。那么相应的，向上传播的光线的方向，就垂直于以太风。

这种情况下，如果以太存在，两束波到达下方汇聚的时候，一定会存在一个时间差。道理很简单，因为向右边传播的光线到达右边的镜子再弹回来，去的时候是逆风，回来的时候是顺风。所以对于这个放在地球上不动的干涉仪来说，光线去的时候和回来的时候速度是不一样的。并且光一来一回走过的路程，也就是右边镜子到中间分光镜的距离，是可以量出来的，这样就可以计算出这一来一回的时间。

同理，向上射出的光线虽然既不逆风也不顺风，它一来一回的时间也能计算出来。最后我们会发现这两个时间是不一样的，所以这两束光汇聚后会形成干涉条纹。

这个时候如果转动这台干涉仪，比如让它转过45度角。那么在转动的过程中，两束光线相对于以太风的运动方式一直在改变，所以它们相对于实验仪器的速度也一直在变。可以想象，两束光的时间差在转动过程中也一直在改变，最后就会影响到干涉条纹。也就是如果以太风存在的话，干涉条纹的形状会发生变化。

3.5 MM实验的结果

然而这个实验做出来的结果令人大失所望，不管你怎么转动实验仪器，干涉条纹都不发生一丁点的变化，实验结果跟以太的基本假设完全不一致。

所以，迈克尔逊-莫雷实验的结果向我们证明了两件事：第一，以太并不存在，光可以在真空中传播，不需要任何介质；第二，光速跟测量者的运动状态没有关系，它在任何情况下都是不变的。很显然，地球的公转完全没有影响到我们测量的光速大小。

并且，科学家充分发挥了严谨的实证精神，在地球上的各种地方，在不同的山上都做过这个实验。甚至到了21世纪还有人去做这个实验，实验设备达到了10亿亿分之一的精度，仍然没有什么结果。

这里就印证了我在综述里介绍的方法论：先归纳，基于波相对于介质速度不变这一点，假设光相对于以太的速度也不变；再推演，推导出如果以太存在，会有干涉条纹的变化发生；最后验证，验证出来跟推演不符，就说明一开始的归纳错了，以太并不存在。

到这里，我们就通过实验证明了光速不变原理。如果你要继续问，为什么光速是不变的？这个问题就无法回答了，因此它是基本原理。原理是通过归纳法归纳得来的，是逻辑推理的源头，它不能用演绎法证明出来，也就不能问为什么，只能说世界的规律本来如此，只能通过实验去验证。我们只能把光速不变原理当成推理的原点，承认它的正确性，再由此出发，看看这个原理能推导出什么结论。