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《相对论》解决了迈克尔逊实验显示的经典力学无法解释的问题
1.迈克尔逊实验的时代背景和目的
当初,人们认为光是在所谓“以太”,即:一种弥漫整个宇宙、还弄不清其性质、也无法实验证实其存在的,一种介质,中传播。
斐索(H.L.Fizeau)还根据实验结果,认为:运动物质的折射系数反映该物质带动“以太”牵引运动的程度。而大气(近乎真空)的折射系数几乎为1,就认为它不会显著地带动“以太”。
经典力学中,不同参考系间牵引合成运动是按伽利略公式表达的。
迈克尔逊又在前人的基础上,精确地测定了光速。就想要按伽利略公式,在大气中,利用地球绕太阳的运动,实际测定地球与“以太”的相对运动。
2,迈克尔逊实验的设计和结果
为此,他设计了如下的一个实验,即:用半镀银的透明薄片,将光束分为彼此正交的两束,使其传播方向分别平行或正交于与地球相对“以太” 的运动方向,经不同的光程差反射折回发生干涉,而形成干涉条纹。
设两分光束各单程的长度为s,地球绕太阳相对“以太”参考系的运动速度为v,大气(近乎真空)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,还使整个仪器旋转90度,使原来垂直与平行参考系运动方向的光束互换,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^(-5)cm)、所用反射的光程(2乘
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。
3.迈克尔逊实验结果对经典物理学产生的震动
由迈克尔逊实验结果的以上分析可见,实验的计算是严格按照经典力学,并且已经计及光在往返两程传播方向的速度变化。因而,实验的结论只能是:伽利略公式与实验结果不符。“在惯性牵引运动系,真空中3维空间的光速不随参考系运动改变”!
这一实验结果,在当时,引起了很大的困惑。
4.狭义相对论才圆满地解决了这一问题。
洛仑兹仍用“以太”的观点,而提出所谓“长度收缩、时钟变慢”,以适应相应的观测结果。但仍有许多悖论,而不能自圆其说。
直到爱因斯坦(Einstein)的狭义相对论,采用4维时空的闵可夫斯基矢量,才圆满地解决了这一问题。
5.对狭义相对论的有关误解
有人认为迈克尔逊实验中往返光束会彼此消去了光程差,才观测不到干涉条纹的移动;而要否定迈克尔逊实验提出了经典力学无法解释的问题,从而否定、批判《相对论》,就只是错误地理解迈克尔逊实验中光程差的具体计算,而产生的误解。
有人认为爱因斯坦提出的狭义相对论是错误地“假设”了“光速不变”原理,
而要以此否定、批驳相对论。
其实,一般而言,光速并非不变,在不同的介质中,光速就各不相同,因而有不同的折射率;在各向异性的介质中,不同方向的光速也不相同,因而才有所谓“双折射”。“光速不变”也不是假设,而是实验(著名的迈克尔逊实验)具体表明真空中光速的3维空间分量不随参考系的运动改变,正因如此,对于高速运动物体的位置须用4维时空的闵可夫斯基矢量表达,不同参考系间的变换应是洛仑兹变换。
显然,这里所说的“不变”,只是“光速的3维空间分量不随参考系的运动而改变。”、“真空中光速3维空间分量的模长是不变的常量”。
而对相对论的这种所谓“批驳”就显然只是对以上认识的严重误解。
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GMT+8, 2024-10-20 01:15
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