文史百科 什么是以太漂移
Posted 爱因斯坦
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迈克耳孙—莫雷实验
在相对论问世之前，以太的观念就已经不得不离开历史舞台了。
以太是由日常经验启发出来的。
声音是空气中的波，涟漪是水中的波。
所以十九世纪的物理学家自然地想到，光同样必须是在某种东西中的振动，他们就把这种东西称之为以太。
正如派斯（Abraham Pais）所说，以太是“一个富有奇趣的假想介质，它的引入是为了解释光波的传播。
”以太也为测量绝对空间提供了一个标度。
它可以被想象为一张笼罩着整个宇宙的无形的网，就像地图上的经纬线一样，可以作为测量距离的参考系。
我们前面谈到过的麦克斯韦电磁理论，它的成功启发了一些人去做实验，目的是测出地球绕日运行穿过以太的速度——也就是“以太漂移”的速度。
事实上，正是这其中的一个实验——1887年在克里夫兰的切斯应用力学学院做的——让以太的幽灵寿终正寝。
这是搜寻以太的实验中最著名的一个，是由物理学教授迈克耳孙和他的同事莫雷，一位化学教授，一起完成的。
基本上，他们的实验是重复迈克耳孙以前的一个实验，在那个实验里误差把结果搞得模糊不清。
他们用一个光源向两个方向发射光束，两束光被与光源距离相等的两面镜子反射回来。
其中一束光的方向，是沿着设想的地球相对以太运动的方向，另一束的方向与其垂直。
迈克耳孙和莫雷期待发现，在两个相互垂直的方向上光线传播的速度会有不同，这差别可能就是由于地球在以太中穿行的运动而导致的。
比如，在地球轨道运动方向上传播的光，会相对以太风逆行。
这样，这束光的速度就会比其它方向上的光速慢。
分析光的运动就可以知道，垂直于以太风方向的光束，比沿着以太风方向的光束提早被反射回来。
两束光被反射回到光源处的时间差，可以计算出来并与实验相比较。
但是迈克耳孙和莫雷没有发现一点时间差。
为了防止地球绕太阳转动时，以太风的方向发生改变而影响实验结果，他们在一年的不同时间重复同样的实验。
但是不管他们如何努力，还是没有观察到时间差别。
这就是说，根本就没有以太。
这是一个令人惊奇的结果。
诺贝尔奖获得者密立根（RobertMillikan）当时认为，它是一个“不合道理的，看上去无法解释的实验事实。
”看来，不论光是顺着以太风或地球运动方向走，还是逆着走，光的速度并没有改变。
如果以太站不住脚了，力学体系本身可能就需要重新改写。
“静止的以太”提供了一个绝对的参考系，它是牛顿心理上需要的，虽然牛顿力学也认为以太是多余的：因为没有办法去探测绝对运动——如果你在火车里放手让一个球落下，则无论火车是停着，还是以不变的速度在行驶，球都将是垂直地下落。
人们所能够观察到的，只是两个物体彼此间的相对运动，并不存在什么绝对的参考系。
但是，仍然有一种看来是从逻辑上对以太的需要，因为电磁学并不满足此种相对性原理。
电磁作用随着观察者而异，并且看上去确与某个绝对参考系有关：当时就有不同的方法，解释发电机如何把运动转变成电力，电动机又如何把电力转变成运动。
因为以太的观念已经站不住脚了，爱因斯坦需要一个新的理论，它对所有的自然现象给出一个统一的描述。
结果是他改写了物理学，让迈克耳孙—莫雷实验的否定结果成为新原理的自然后果。
许多作者声称，迈克耳孙—莫雷实验，与另一些或早或晚的实验一起，是对以太致的悼词。
这样说无疑是过于简单了。
许多著名的物理学家，仍在努力使迈克耳孙—莫雷实验与以太的假说相符合。
这当中，最有名的要算是荷兰的洛伦兹和爱尔兰的菲兹哲罗（Gee FrancisFitzgerald）。
他们试图利用上一章中提到过的洛伦兹变换，用物体穿过以太运动时的物理收缩来解释迈克耳孙—莫雷的实验结果。
这样，以太的假说就可以仍然成立，不过要以一种未经解释的运动物体的畸变作为代价。
我们将会看到，这种长度收缩，与爱因斯坦所揭示的世界中的效应相近，我们以后必须习惯于这种效应。
洛伦兹实际上已经接近了狭义相对论的公式，但是他不能摆脱牛顿的绝对时间“经典”观念的束缚，并且紧抱着以太理论不放。
法国数学家兼物理学家庞加莱，对牛顿力学造成的问题看得很清楚，他问道：“以太究竟是什么，它的分子是如何排列的，它们是相互吸引还是相互排斥？”他并且热切期望着如爱因斯坦后来提出的根本解决办法。
他说道：“也许我们必须建立一种新的力学，对它我们只能够管中窥豹，……在这个新力学中，光速是一个不可逾越的极限。
”1904年庞加莱甚至于编造出一个“相对论原理”。
但是按照爱因斯坦自己的说法，看来庞加莱至死都没有搞懂狭义相对论的物理含义。
爱因斯坦本人很久以后才知道上述物理学家的种种努力，他基本上是独立地得出他的理论的。
他当时并不熟悉那些在物理学杂志上发表的、时新的研究论文的内容。
确实，他一点不知道洛伦兹1895年以后的工作；特别是，如我们将会看到的那样，他从没有听说过洛伦兹变换，但这个变换却在他自己的研究结果中再现了。
我们甚至都不清楚，爱因斯坦是否认为，迈克耳孙—莫雷实验对他后来的狭义相对论起了决定性的影响，虽然1916年他的朋友心理学家沃斯默（ Max Wertheimer）在柏林采访他时，他明确地说过是受到过它的影响。
然而，在1954年的一封信中，他坚持说：“在我自己的研究过程中，迈克耳孙的结果对我并没有多大影响。
我甚至于都记不清楚，当我写关于这个题目的第一篇论文的时候[1905]，我是否知道这一结果。
在我个人的奋斗中，迈克耳孙的实验没有起过作用，或者至少是没有起过决定性的作用。”
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