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正确理解迈克尔逊莫雷实验中的光学问题

已有 28376 次阅读 2012-2-21 17:55 |个人分类:时空|系统分类:观点评述| 相对论, 光学, 迈克尔, 洛仑兹收缩

   理解迈克尔逊莫雷实验(MMX)中的光学干涉现象所需要的物理知识并不复杂,只需要读者具备几何光学和杨氏干涉的知识,加上细致考虑各种影响光线传播的因素,就可以获得正确答案。
   MMX是由近似重合的两束光在观察屏产生干涉的光学现象,条纹的变化由两束光的光程差决定,对于用于实验的可见光红光,一个波长(600-700nm)的光程变化就会导致一个条纹的移动,因此两束光的光路的微小变化,应与干涉条纹移动高度敏感的。在这个实验中,可能导致光路变化,即使是非常细微的因素,都必须认真考虑,更不能对光路作理想化的简化处理,否则分析结果会出现巨大偏差。
  下面的MMX干涉光路图是来自于教材,用于光学原理分析。

                     图1 MMX光学干涉原理图

   这是一个非常理想化的简化模型,其基本过程是:入射光经分光片后,成为两束相互垂直的光束,再经反射镜垂直反射沿原光路返回到达S,两束光重合传播到达观察点O产生干涉。这种情况只有当光的传播介质相对于实验系统静止u=0时,才可能成立。当介质的运动速度u不为0并与入射光方向平行时,光的传播会受到运动介质的影响,正确的O点干涉光路图应该如图2所示。

                  图2 运动介质对MMX干涉光路的影响


   垂直于介质运动方向的光束,会发生改变,如图2中的红线所示,经反射镜B反射后,不会返回到S,而是有微小变化的S'位置。因此计算垂直光束的光程时,应按图2中的红线光路进行,才能得到正确的结果。由于MMX干涉实验对于光程是十分敏感的(检测的是0.4条纹移动,4/10波长),SS'的微小差异都可能导致这种结果,因此SS'应作为必须考虑的因素反映到光程差的计算之中,这样MMX光程差公式就会十分复杂,但是必须的。
   很显然,由图2得出的MMX条纹移动数与按图1的简化模型给出的结果,肯定是不同。由于图1忽略了影响条纹移动的重要因素SS',因此,由图1给出的结论是不完整、不正确的。由此进一步得出的洛仑兹收缩(或变换)就没有依据,更不能作为光速不变假设的实验证明依据。
   图3是引自百度百科中MMX的光路图,这个光路存在一个明显的错误,如果经分光镜分光,按图所示的光路传播是违背基本的几何光学原理和定律的。因为要保证垂直方向上光在运动介质(速度u=v)中,回到S点,半反分光镜M的角度(与运动方向的夹角)必须大于45度,光路与上方反射镜不是垂直关系,不满足所列的数学公式(速度直角三角形勾股定律)的描述。此时另一束向M1传播的光就不会与运动方向平行,经反射后也不会与S重合,因此由此图得出的光程公式是不正确的。

      图3 MMX干涉原理(来源:百度百科)

   图4是来自由Wiki百科的MMX光路图,该图给出了运动介质对光路影响的一种情况,但也存在错误。

                      图4 来自Wiki的MMX光路图

   主要是经分光反射后,两束光会成一束到达检测器的分析,是对MMX实验全过程不适用的。因为,前面提到的SS'位置差始终是存在的,即使我们在实验中调整出现了上图所示的近似重合情况,当我们转动MMX装置,介质运动的方向与装置要发生改变,近似重合的关系就会打破,SS’就会由小变大,再变小。
   因此,正确的做法是严格按照几何光学的定律,画出运动介质影响下实际光路图,再根据光路计算光程,才能得出正确的条纹移动数,当然针对实际情况光程差的表达式会十分复杂。
   目前,在MMX分析中作了过份理想化的处理,忽略了两束相干光的光路变化影响的重要因素,简单地将干涉理解为最终会聚为两束重合光产生干涉,这是完全错误的。
   通过上面的分析,虽然没有给出MMX精确的条纹数公式,但我们至少可以得出,严格意义上的洛仑兹收缩是不成立的,狭义相对论光速不变的假设,是不能通过MMX的实验来证实的。因为迈克尔逊根据图1的光路进行光程差计算,而图1的光路是不符合基本的光学定律的。


后续博客:

1、牛顿先生:为什么迈克尔逊莫雷实验测量结果会是零呢?
2、现代物理理论是幼稚思想的大汇演



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