2。迈克尔逊的以太实验

“以太”一词来自希腊，原意是高海拔。笛卡尔于1664年首次将其引入现代物理学。他将以太视为传播光和恒星之间相互作用的媒介。它是人们日常所见的重物质之外的另一种物质。从此，以太问题成为困扰物理学界数百年的难题，消耗了无数物理学家的心血。虽然以太问题的最终结论非常简单，但得出这个结论的过程却极其复杂，构成了物理学史上最令人困惑的一页。

为什么要寻找以太？其动机源于那些产生了远距离力理论的现象，以及产生了波动理论的光的特性。人们从日常生活中形成的概念是，相互作用是通过接触而发生的，如触摸、按压、拉动、火焰加热或引起燃烧等。牛顿的万有引力理论将万有引力解释为物质产生的一种远距离的力，这与传统的引力理论相矛盾。人们共同经验中形成的原则。如何保持自然力概念的一致性？任何一个人都可以将向我们呈现的力理解为接触力，也理解为作用于一定距离的力，而这种力只有在非常小的距离处才能被感知。或者人们可以假设牛顿的远距离力只是虚构的没有媒介的远距离力。事实上，它们是通过填充空间的介质传输的，无论是通过该介质的运动还是通过其弹性变形。 “以太”是人们认为应该存在的媒介。19世纪上半叶，当人们发现光的性质与重物体中弹性波的性质存在广泛相似性时，以太假说获得了新的支持。麦克斯韦（Maxwell，1831-1879），建立了电磁理论，并用几个简洁的公式将电、磁、光理论统一为一个体系，试图为以太找到新的证明，但未能如愿。 。这时，奇怪的情况发生了。过去，物理学家总是用物质的密度、速度、变形、压力等纯机械的基本概念来理解一切物理现象，以统一物理理论；现在不同了，他们不得不承认电场强度和磁场强度是与力学基本概念并列的基本概念。这样，就形成了理论上无法长期容忍的二元状态。只有找到以太，才能消除这个理论基础上的裂痕。

根据当时物理学家的判断，如果有以太的话，地球一定在以太中运动。因此，光速——假设光以恒定速度传播到以太——应该被视为测量方向与地球运动方向平行，或者垂直。由于光速约为地球轨道速度（相对于太阳）的 10,000 倍，因此预期差异很小，但应该是可测量的。迈克尔逊的工作就是在这样的背景下进行的。对实验仪器有着独特感受的迈克尔逊在柏林期间开始计划利用光干涉技术进行以太漂移实验。德国光学仪器久负盛名。当时，光学干涉技术已进入实验室，并作为整套仪器出售。迈克尔逊受到贾明干涉仪的启发，发明了极其灵敏的迈克尔逊干涉仪。与其他干涉仪相比，它最大的特点就是将两束相干光束（通常成90度角）完全分开，这使得它能够适应多种用途。他的实验是让同一光源分离出两束相干光，其中一束平行于地球运动方向，另一束垂直于地球运动方向，然后再将它们重新结合起来。如果存在“以太风”，由于两束光以不同的速度相对于地球存在一定的相位差，就会形成干涉条纹。然后他将整个仪器在水平方向旋转90度，两束光束的方向互换，相位差颠倒，干涉条纹就会移动。该实验没有产生足够的数据来确定以太是否存在。 1887年，迈克尔逊和莫雷合作改进了实验。本次实验的精度较以往有了很大的提高。从实验设计可以推论，如果有以太存在，实验中观察到的干涉条纹应该移动相当于140个条纹宽度，但观察结果是，即使有条纹移动，最大移动距离也不会超过 101 条带的宽度。这原本是一个令人震惊的重要发现，但一心寻找以太的迈克尔逊却没有多想，觉得实验“失败了”。