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科学认识、运用客观世界的基本特性(13)
(接(12))
19.迈克尔逊(A.A.Michelson)光学实验,爱因斯坦(Einstein)相对论的诞生
当时人们认为,光是在一种弥漫整个宇宙、弄不清性质、无法实验证实其存在的一种介质,“以太”,中传播。
斐索(H.L.Fizeau)实验证明:光在不同物质的折射系数不同,而认为是,该运动物质带动“以太”的牵引系数的不同所致。
大气的折射系数几乎为1,而认为是,大气不会显著地带动“以太”。
现在我们知道,光在不同物质的折射系数不同,是因光在其中传播速度不同所致,而在近似真空的大气中,光的传播速度几乎不被延迟,所以折射系数几乎为1。
根本不存在所谓“以太”。
经典物理学中,不同参考系间牵引合成运动的变换是按伽利略公式的。
迈克尔逊又在前人的基础上,精确地测定了光速。就想要实际测定地球与“以太”(实际上,应是地球在真空位置)的相对运动。
迈克尔逊实验,是采用一个镀银的半透明薄片,将光束分为,其一平行、另一垂直,参考系运动方向,彼此正交,的两束,分别经 同样长度的往返光路,不同的反射折回,而在镀银的半透明薄片上发生干涉,形成干涉条纹。
设 各光束的光程长度为s,参考系运动速度为v,真空中3维空间的光速为c,平行参考系运动方向的光束往返光路所需时间为t(1),垂直参考系运动方向的光束往返光路所需时间为t(2),则按通常经典力学的伽利略变换,有:
t(1)= s/(c-v)+ s/(c+v)= (2 s /c)/ (1-v^2/ c^2),
t(2)= 2( s^2+( vt)^2)^(1/2)/c= (2 s /c) / (1-v^2/ c^2)^(1/2) ,
两光束往返光路所需时间差为
t(2)- t(1)= (2 s /c)(1/ (1-v^2/ c^2)^(1/2)-1/ (1-v^2/ c^2)) ,
因v/c甚小,上式近似为t(2)- t(1)~ s (v/ c) ^2/c,
实验中,还使仪器有关部分旋转90度,使原来垂直与平行参考系运动方向的光束,彼此互换,(这样,就使得沿参考系运动轴线所采用的光程是来回双程的,光往返传播的方向是分别与参考系运动的方向相同和相反,而彼此抵消,而实际起作用的只是各光程中不往返部分,即:从光源到镀银的半透明薄片的长度,的光程差) 这两次的时间差就成为2s (v/ c) ^2/c。这样,仪器旋转前后,干涉条纹将发生移动的条纹数,就应是n=2s (v/ c) ^2/(cT)= 2s (v/ c) ^2/L,其中T,L分别为所用光的周期和波长。
由他最后几次实验所用光束的波长(5.9乘10的负5次方cm)、所用的入射光从光源到镀银的半透明薄片的距离(11m)、和地球绕日运行的速度(3乘10的6次方m/s)估计,干涉条纹应移动0.4条。而实验的观测精度可达百分之一条,应完全能观测到干涉条纹的移动。
但是,在不同季节,不同地理条件,进行的多次实验观测,却都看不出干涉条纹的移动。说明:伽利略公式与实验结果不符。
这一实验结果,在当时,引起了很大的困惑,形成了经典物理学的灾难。
洛仑兹(Lorentz)仍用“以太”的观点,提出所谓“长度收缩、时钟变慢”,而导出了洛仑兹变换,能适应相应的观测结果。但因,仍不能证明“以太”的客观存在,而且,还有许多悖论,而仍然不能自圆其说。
直到爱因斯坦的狭义相对论,采用4维时空的闵可夫斯基矢量,表达物体的位置,自然地导出洛仑兹变换,才圆满地解决了这一问题。
这就将经典物理学3维空间的矢量改变为4维时空的闵可夫斯基矢量,而彻底打破了“绝对时间”概念,3维空间的伽利略变换被4维时空的洛仑兹变换取代。
经典物理学,只是当物体运动的速度与真空中3维空间的光速相比,可以忽略的低速近似。
(未完待续)
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