正文

第三章 光的速度(5)

时间的形状:相对论史话 作者:汪洁


既然已经知道了光相对于以太的传播速度是30万公里/秒,那么光速就成为了能证明以太存在的最佳证人,关键是要说服它出庭作证。我们看看让光速出庭作证的这个实验是怎么构想的:我们的地球以30公里/秒的速度绕太阳公转,在宇宙空间中飞行,换句话说,我们的地球在以太中高速地飞行,如果把我们的地球想象成一艘大船,我们站在船头,就会迎面吹来强劲的“以太风”,那么通过伽利略变换和速度合成公式,我们很容易得出光在“顺风”和“逆风”中的传播速度,这两个速度显然会不一样,至少要相差30公里/秒。我们只要能用实验证明以上猜想,那么就确定无疑地证明了以太的存在,物理学界举杯同庆,新世纪就要到来了,这个实验无疑将是献给新世纪最好的一份厚礼。具体的实验设计众望所归,落到了两位实验物理学的泰山北斗级人物身上,他们就是麦克尔逊(Michelson,1852-1931)和莫雷(Morley,1838-1923),这二位也的确是当仁不让的人选,尤其是麦克尔逊,此人一生痴迷于光速的测量。

科学史上最成功的失败

本章的压轴大戏即将上演,在上演之前,我必须提醒你本书中提到的所有实验你都可以看完之后忘掉,唯独这个“麦克尔逊莫雷实验”你千万不能忘掉,随便打开任何一本物理学史书,或者打开任何一本关于相对论的书,甚至随便打开一本科学史书,都一定会提这个实验。如果你记不住麦克尔逊莫雷这么拗口的六个字,那你也可以记住“MM实验”,很多书上都这么叫;如果你连“MM实验”四个字也记不住,那么你就记住“美眉实验”。总之,这个实验对于整个物理学史甚至对于整个人类的科学史都有着举足轻重的地位,它是给经典物理学带来狂风暴雨的两朵乌云之一。这个实验刚好是发生在世纪之交,怎么看都有一种史诗大片的感觉,它喻示着物理学在新旧两个世纪的交接。所以,我需要在这个实验上多花一番笔墨,让大家对这个实验了解得多一点。当你看完本书以后跟人闲聊的时候,如果还能记得聊一聊“MM实验”,将是笔者莫大的荣幸。

(以下麦克尔逊和莫雷的对话纯属虚构。)

麦:“莫雷,你先说说看,你对这个实验怎么想?”

莫:“麦克兄(莫雷比麦克尔逊小14岁,所以莫雷尊称麦克尔逊一声兄,但听起来有点像是在说麦克风),光速在顺风和逆风的理论差值是30公里/秒,而光速是30万公里/秒,这意味着我们的实验精度必须要达到万分之一才行,以我们现在的实验条件,似乎离这个精度还差得很远。”

麦:“这个情况我很清楚,所以想听听你的想法,讨论一下我们怎么才能解决这个难题。”

莫:“在短期内提高实验精度这条路估计是走不通的,我们必须绕开直接测量光速,要想一个什么间接方法来测量才行。”

麦:“莫雷,我跟你的想法是一样的,肯定不能硬着头皮去测量,必须要想点儿什么别的办法。我想,我们是不是先把测量出绝对数值的目标放低一点,我们第一步先想出一个可以比较两束光谁快谁慢的办法。其实我们只要能先证明在顺风逆风中光速有差异,就迈出了胜利的第一步。”

莫:“麦克,你说得很对,我们把达成目标分成两段,先想出第一段如何达成,你是不是已经想到什么好办法了?就别卖关子了。”

麦:“我想到了英国人托马斯?杨(ThomasYoung,1773-1829)发现的光的干涉现象,我们或许可以利用这个特性来比较两束光的速度是否发生了变化。”

莫雷突然转身面朝观众,说:“各位亲爱的读者,我给大家解释一下什么是光的干涉现象,听说你们现代人上高中的时候都要做这个光的双缝干涉实验。简单来说,就是把一束光照到两根互相靠的很近的狭长的缝隙上,在这个双缝的后面我们如果竖上一面白墙,我们就会在墙上看到明暗相间的条纹。


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