《物理的故事——在悖论中前行》
第34节

作者: 江湖小片
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  其实不用担心,这个实验本就找不到以太风,反而恰恰证明了菲涅尔理论的正确性。麦克斯韦曾特别强调要想找到以太风,这样直来直去是不可能的,以太风表现在地球运动的二次效应上。好比人坐在公交车里,只有当车拐弯时,才有被甩出去的感觉(以太漂移)。为此,麦克斯韦曾致电美国海军,希望能得到海军方面的帮助,但美国方面没有付诸于行动。这件事后来让一位刚从美国海军学院毕业的学生知晓并揽了下来。

  阿尔伯特迈克尔逊(Michelson,1852-1931):出生于当时的普鲁士王国,4岁时移居美国,1873年,从美国海军学院毕业。他最擅长是光学与光谱研究,毕生精力都从事光速精密测量,他一直是光速测定的头号人物。
  爱德华莫雷(Morey,1838-1923):出生于美国,擅长对化学中最小单位—原子的测量。
  起先,迈克尔逊就做过在二次效应上寻找测量以太风的实验,似乎感觉没有以太风,当时觉得他觉得应该是实验中什么地方出了问题。1887年,迈克尔逊和莫雷决定共同寻找以太风,这就是物理学历史上最著名的实验之一,叫迈克尔逊—莫雷实验。
  当光源一部分光反射到反光镜1,另一部分透过透镜进入反光镜2,当这两列反射的光,又经过半透明的镜子后,发生干涉,在检测器上显示出一圈一圈的条纹。这个仪器十分精妙,迈克尔逊曾做过类似的干涉仪—迈克尔逊干涉仪,凭借此仪器,迈克尔逊成为了美国第一位诺贝尔奖获得者(1908年)。
  实验中的干涉仪需要固定到一个石盘,石盘不停的转动,此时反光镜1与反光镜2两条光线用于以太被拖拽,光速不一样,所以检测器上的条纹也会不同。

  当石盘开始转起来时,或许他二人已经感受到了以太风带来的丝丝凉意。但人生往往如此不幸,当你用尽全身力气想要干个大的时候,结局只是一个P。迈克尔逊—莫雷的实验也是如此,无论转盘的速度如何,干涉条纹和静止的只有细微的差别,与实际计算相差甚远,也就是说麦克斯韦认为光在真空的以太中速度是恒定的,但是实际上,在非真空的以太中光速也是恒定的。
  寻找以太风,却没有以太风,笃行以太的迈克尔逊和莫雷拒绝相信眼前的事实,他们从拖拽角度分析,认为以太是绝对禁止的,然而这又无法解释光行差了。不管怎样迈克尔逊—莫雷实验没有找到他们想要找的东西,也就成了史上著名“零结果”实验。
  人类又蒙圈了,以太这个宛如古希腊一样古老的名字,经历了浮浮沉沉后,已经成为光明使者的坐骑、成为电磁学大厦的基石,现在如果再把它抛弃,那么人类辛辛苦苦建立的宇宙理论也许将会轰然倒塌的。站的高摔的疼,聪明的人类不允许这样的事情发生,有很多物理学家起来为以太“辩护”.
  日期:2017-08-20 17:33:10

  第三十一回:为以太辩护
  第一位为以太辩护的人是乔治菲茨杰拉德( Fitzgerald,1851-1901)。1889年,他“零结果”实验做了尝试性解答。
  菲茨杰拉德认为所有的物质都是带电荷的粒子组成(大约相当于安培的分子电流假说),一个尺子相对以太静止是长度由粒子间的静电平衡决定,当它相对以太运动时,它上面的电荷也发生运动,进而产生磁场,改变的这些粒子之间的静电平衡,尺子的长度缩短了。所以,零结果实验中使用仪器中的测量光源、半透明镜、反光镜和检查屏之间距离在运动后会发生“缩短现象”,缩短与光速变化抵消掉了。也就是说,静止时测量的一米,运动后低于一米了,他还给出尺子缩短与速度与光速比值的平方成正比。

  菲茨杰拉德的学说发表在美国的某科学杂志上。由于他的身体不是很好,长期受到胃病的困扰,1901年就逝世了。而那个杂志还先一步消失在人们的视野,所以菲茨杰拉德的假说并未被人知晓,到后来他的学生翻了该论文,那时候天地都有了新的变化。
  同样为零结果实验感到困惑的还有一位荷兰人。
  亨德里克洛伦兹(Lorentz ,1853-1928)是一位荷兰伟大的科学家,据说他从小各方面成绩都很优秀,夸张点说如果他考试不及格,那试卷满分很可能只有59。少年时,就对物理学有这浓厚的兴趣,但是不妨碍他历史和小说中徜徉。17岁上大学,23岁就获得了大学教授职位。他对理论物理做出了杰出的贡献,导线在磁场中运动产生的力叫“安培力”,那么电荷在磁场中运动受的到的力就是以他命名的—叫做“洛伦兹力”。

  1892年,洛伦兹独立提出一个新的收缩假设,他认为存在一种“分子力”,分子力也是通过以太传输的,和电磁力一样。当物体运动时,以太迫使分子力发生变化,那么物体的长度大小也会随之变化,这种变化正好与光速变化相互抵消了。
  日期:2017-08-20 17:48:39
  “光速不变”是麦克斯韦从数学计算中得出的,他的数学公式明明写着:真空中的光速是不变的,但是速度是相对的,于是所有人都认为光速不变是相对静止以太而言的,所以麦克斯韦方程的参考系是静止以太。当菲涅尔的拖拽理论被物理学认可时,地球相对以太并非静止不动。于是洛伦兹从伽利略变换角度出发,用数学方法得到麦克斯韦方程在运动参考系中的协变方程。推导得出一个结论:物体的形状由分子力的平衡来决定,当物体运动时,势必会缩短。可以用一下公式表述:

  l=L√(1-v^2/c^2 )(l:运动的长度;L:静止长度;v:物体速度;c:光速)。
  但是在计算过程中,不仅物体形状发生变化,时间也变化了:
  t= T/√(1-v^2/c^2 )。
  分子是实物,时间却不是。那么时间变化该怎么解释呢?洛伦兹认为t表示的是“当地时间”。当地时间是相对“普遍时间”T(即静止以太中的绝对时间)而言的。
  既然变化,能否测量呢?洛伦兹坚定的回答:不能。因为测量者必先要处在运动的参考系中,所以手中拿的尺子也会缩短(尺缩效应)和时钟也会变慢(钟慢效应)。这就好比一个国家,为了是老百姓富裕,疯狂地印钞票,可是当老百姓手中都有钱的时候,钱已经不值钱了。同样道理,人类也无法测量出绝对的时间与绝对的长度,因为观测者无法处在以静止以太为坐标的参考系之中。
  既然无法测量,那么变化这些有什么意义呢?嘿嘿,洛伦兹也承认这些变化是一种纯粹的数学手段。但是从这个数学手段可以得出另外一个结论:v小于c,因为根号不能小于0;除数也不能等于0;于是光速就成了所有速度的最大值!
  日期:2017-08-20 17:50:03
  第三位对“零结果”实验感到困惑的是亨利庞加莱(Poincaré,1854—1912),他出生于法国,著名的“彭加莱猜想”就是他提出的。他的智力继承了他们家族的优良传统,因为超长的智力是他成为了“早熟”儿童。他的知识全面,数学尤为突出,号称20世纪最后一位数学全才。
  庞加莱可以说是比较反对“假设”二字的,因为某些假说永远无法从实验中的出来。1895年,他对绝对运动提出质疑,理由是没有办法测量。同样,以太也无法测量,所以他发问:以太真的存在么?然而对于真空中光速恒定,庞加莱认为速度都逃不开相对运动,于是他又认为恒定的光速是相对静止以太而言的,显然出现了矛盾。
  1902年,他在《时间的测量》的讲座中对牛顿的绝对时空观提出质疑,而质疑点同样是无法观测,所以不同运动情况下,讨论“同时性”没有意义。1904年,庞加莱将洛伦兹的变换公式推广到更有普适性,并将其命名为“洛伦兹变换”。还提出了“相对性原理”:物理规律对于静止的观测者和匀速运动的观察者是相同的,也就是说不存在真正意义上的尺子缩短和时钟变慢。尽管他无法说的透彻,但是敏锐的感觉到一门新的动力学即将到来,只可惜不是因为他。

  不用剧透,这些都是山雨“相对论”来临前的风满楼。如果以踢足球为例,将以牛顿为代表的经典力学比作守门员,只有突破他的十指关才能进球的话,那么洛伦兹只把球带到了禁区,就被守门员没收了;而法国选手庞加莱则是一阵猛突,突破了守门员,但是运气不佳,一脚把球踢到了立柱上。
  到底谁把这该死的球踢进了球门呢?
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