葉 波

對(duì)邁克爾遜
——莫雷實(shí)驗(yàn)的新解釋

葉 波

在物理學(xué)史上，邁克爾遜——莫雷試驗(yàn)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。邁克爾遜為了證明以太的存在精心設(shè)計(jì)了一個(gè)用光的干涉來探測以太漂移的試驗(yàn)。

人們認(rèn)為，我們周圍的空間中存在著一種稱為以太的物質(zhì)，它是光的媒介。光行差現(xiàn)象證明了以太相對(duì)太陽靜止，地球以30公里/秒的速度在以太中運(yùn)動(dòng)。為了能捕捉到這種以太漂移，邁克爾遜把干涉儀固定在地球上，他認(rèn)為干涉儀兩條干涉臂上的光除了以光速在干涉臂上運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)隨地球一起以30公里/秒的速度在以太中運(yùn)動(dòng)。他根據(jù)以太對(duì)光來說是流體和干涉儀試驗(yàn)中的具體參數(shù)，計(jì)算出在試驗(yàn)過程中，只要將干涉儀轉(zhuǎn)動(dòng)90度，屏幕上光的干涉條紋會(huì)移動(dòng)0.4個(gè)條紋。但試驗(yàn)的結(jié)果是干涉條紋沒有任何移動(dòng)，后經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果仍然相同，后來把這個(gè)沒有條紋移動(dòng)的現(xiàn)象稱為“零結(jié)果”。并認(rèn)為這一結(jié)果否定了以太漂移，否定了“以太風(fēng)”。以太風(fēng)不存在，以太當(dāng)然也就不存在了。

試驗(yàn)結(jié)果在當(dāng)時(shí)物理學(xué)界激起軒然大波。被開爾文稱為當(dāng)時(shí)物理學(xué)上空兩朵烏云之一。

否定了以太也就是否定了電磁理論所要求的菲涅耳的靜止以太說，這就使電磁學(xué)的基礎(chǔ)受到了沖擊。零結(jié)果使洛侖茲極為困惑，一再追問：“在邁克爾遜先生的實(shí)驗(yàn)中，迄今還會(huì)有一些仍被看漏的地方嗎？”在這種無可奈何的背景下，為了挽救以太理論，他提出了長度收縮假設(shè)。

洛侖茲設(shè)想，觀察者相對(duì)于以太以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，長度在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生收縮（，而在運(yùn)動(dòng)垂直方向上不發(fā)生收縮。這就剛好抵消了不同方向上光速差異造成的干涉條紋的移動(dòng)，于是洛侖茲就在不拋棄以太概念的前提下解釋了邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。

莫雷和密勒在開爾文的敦促下，為了檢驗(yàn)洛侖茲的收縮假設(shè)，于1904年做了一套鋼制的不等臂干涉儀進(jìn)行試驗(yàn)。它做工精細(xì)，調(diào)節(jié)方便，光路達(dá)64米，靈敏度有了新的提高。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比1887年邁克爾遜和莫雷所得更接近于零。由于不等臂干涉儀能測量到洛侖茲收縮（干涉條紋會(huì)移動(dòng)），這就是說，洛侖茲收縮假設(shè)沒有得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，而是被試驗(yàn)所否定。

為了挽救以太，長度收縮說是唯一的嗎？不是，還有一種更好的理論，那就是波動(dòng)介質(zhì)變硬說。

人們普遍認(rèn)為：固體永遠(yuǎn)是固體，流體永遠(yuǎn)是流體。但是這個(gè)成見對(duì)波的傳播來說并不成立。

波實(shí)際上是由一種往復(fù)振動(dòng)形成的。往復(fù)振動(dòng)時(shí)，介質(zhì)的受力是交變的，當(dāng)交變力的頻率太快，介質(zhì)向一個(gè)方向受力運(yùn)動(dòng)后，幾乎馬上又要受同樣大的力向相反方向運(yùn)動(dòng)，介質(zhì)因慣性的緣故根本就來不及作這樣的運(yùn)動(dòng)。于是，流體介質(zhì)的微粒象固體分子一樣只在平衡位置振動(dòng)而傳播波。此時(shí)傳播波的地方的介質(zhì)的流動(dòng)性自動(dòng)消失了，或者說此時(shí)傳播波的地方的介質(zhì)變硬了。所謂的“硬”，實(shí)際上是指介質(zhì)分子活動(dòng)范圍小到和固體分子活動(dòng)范圍一樣。波在流體介質(zhì)中的傳播就變成像在固體中傳播一樣。由于波在固體中的傳播速度要比在液體中快得多，所以只要波的頻率足夠大，波在流體介質(zhì)中的傳播速度就可以和在固體介質(zhì)中一樣快。這就是波動(dòng)介質(zhì)變硬說。

假設(shè)波在正半周的平均作用力是不變的，在此力作用下介質(zhì)作初速為0的勻加速運(yùn)動(dòng)。其移動(dòng)的距離（等效于在交變力作用下移動(dòng)的距離）：

通常情況下，聲音在水中的傳播速度為1450米/秒，但20多年前人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲波頻率達(dá)到幾個(gè)特（1特=1012）赫茲時(shí)，它在水中的傳播速度竟增加了2倍多。

聲波在冰中的速度約為3160米/秒，這正好是1450米/秒的2倍多。也就是說，頻率達(dá)到幾個(gè)特的超聲波在水中的傳播速度象低頻超聲波在固體冰中的傳播速度一樣。于是我們可以認(rèn)為水對(duì)頻率達(dá)到幾個(gè)T的超聲波傳播的地方變得象冰一樣硬。

要注意的是：波動(dòng)介質(zhì)變硬說是介質(zhì)在傳播波而且波的頻率很高的時(shí)候表現(xiàn)出的類似固體的一種性質(zhì)。它不是因?yàn)榉肿娱g吸引力大而將分子束縛在一起形成固體而變硬，波動(dòng)介質(zhì)變硬僅僅對(duì)頻率很高的波才適用。同時(shí)不是在所有地方都變硬，只是在波傳播的地方變硬。

由于真空中的以太是傳播光的介質(zhì)，真空中的以太和水一樣，是一種流體；光和聲音都是波；光的頻率又非常之高，頻率最小的紅光都超過了400特。因此，有理由認(rèn)為光在真空中以太中的傳播類似于頻率達(dá)到幾個(gè)特超聲波在水中的傳播，因?yàn)樗鼈兊奈锢肀举|(zhì)是一樣的。我們就順理成章地得到這樣一個(gè)推論：真空中以太對(duì)光傳播的地方好象固體一樣。

一個(gè)嚴(yán)重的問題出現(xiàn)了。邁克爾遜是根據(jù)以太對(duì)光來說是流體的前題來設(shè)計(jì)他的試驗(yàn)的，以太對(duì)光的傳播好象固體一樣就說明他的前題是錯(cuò)誤的，這個(gè)試驗(yàn)的所有的具體計(jì)算也都是錯(cuò)誤的。

如果以太對(duì)光的傳播的地方好象固體一樣，對(duì)邁克爾遜——莫雷試驗(yàn)的零結(jié)果就可以重新作出如下解釋。

從邁克爾遜干涉儀中半反鏡中發(fā)出的光，是在半反鏡中傳播后射出的，半反鏡無疑是固體；對(duì)從半反鏡中射出而進(jìn)入干涉臂中以太的光來說，傳播此光的以太又象固體一樣。這樣一來，半反鏡和相連的傳光以太就分別是固體和類似于固體，從而它們好象是兩種固體連結(jié)在一起。而半反鏡又是同地球固聯(lián)在一起，相當(dāng)于地球和傳播此光的以太也是連結(jié)在一起。于是，對(duì)從半反鏡中所發(fā)出的光而言，地球和傳播此光的“類固體”的以太之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，沒有以太漂移，也就沒有以太風(fēng)。光在邁克爾遜干涉儀的水平臂和垂直臂的相同路程上花的時(shí)間相同，沒有光程差。將邁克爾遜干涉儀轉(zhuǎn)動(dòng)90度，干涉條紋當(dāng)然不會(huì)有任何移動(dòng)，試驗(yàn)出現(xiàn)的零結(jié)果也就是必然的了?；蛘吆唵蔚卣f，真空中的以太對(duì)光而言是沒有以太風(fēng)的，即使以太對(duì)地球而言有以太風(fēng)，但邁克爾遜——莫雷試驗(yàn)是用光來探測以太風(fēng)的，這個(gè)試驗(yàn)當(dāng)然是測不到以太風(fēng)的零結(jié)果。

邁克爾遜——莫雷試驗(yàn)令人信服地和漂亮地證明了真空中的以太對(duì)光傳播的地方好象固體一樣。這就是說以太的確是傳播光的介質(zhì)，以太在傳播頻率很高的光時(shí)能“變硬”，也就是證明了以太具有慣性。我們在這里就找到了以太是一種有慣性的物質(zhì)的確鑿證據(jù)。所以邁克爾遜——莫雷試驗(yàn)正好證明了以太是一種有慣性的物質(zhì)，而不是否定它。

波動(dòng)介質(zhì)變硬現(xiàn)象由于非常罕見而沒有引起人們的重視，迄今為止僅僅發(fā)現(xiàn)頻率很高的超聲波在水中傳播這樣一個(gè)實(shí)例。以致這一現(xiàn)象一百多年來沒有被人們發(fā)現(xiàn)，即使是現(xiàn)在仍然鮮為人知。但它確實(shí)用牛頓的波動(dòng)理論推翻了人們對(duì)邁克爾遜——莫雷試驗(yàn)零結(jié)果的原有解釋，推翻了人們否定以太的結(jié)論，這可是一次舉足輕重的撥亂反正。

波動(dòng)介質(zhì)變硬說認(rèn)為介質(zhì)在頻率很低的波時(shí)是流體，只有在波的頻率升高到一定的程度時(shí)才表現(xiàn)出類似固體的性質(zhì)。不同頻率的超聲波在水中的傳播已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。光是頻率很高的電磁波，它表現(xiàn)出了類似固體的性質(zhì)。那么對(duì)頻率很低的電磁波來說，以太應(yīng)是一種流體。由于波在固體中的傳播速度要比在液體中快得多，因此低頻電磁波的速度應(yīng)就比光速小，人們已經(jīng)有試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。因此波動(dòng)介質(zhì)變硬說是能用試驗(yàn)證明的。更深入的論述請(qǐng)見《電磁波速度與其頻率的曲線關(guān)系》一文。