相對論（4）邁克爾遜-莫雷實驗，為什麼不能證明光速恆定？

為什麼近日點的速度比遠日點的速度大

上回我們說到，物理學家們為了讓電磁學和牛頓力學顯得融洽一些，就將老以太搬了出來，說光在以太中傳播，甚至給光起了個名字叫以太波。還說光速每秒30萬公里，是相對於以太的速度。

雖然假設出來的以太很好用，但是這次以太想堂堂正正地走進科學的殿堂，就需要嚴格的實驗驗證。

那麼怎麼驗？原理很簡單，如果以太真的存在，且靜止不動，光以以太為媒介傳播，那麼當我們的實驗裝置和以太有一個相對速度的話，應該測得的光速不同。

比如，現在有一個光源發出了一束光線，這束光以以太為媒介傳播，速度為C，現在我們也相對於以太運動，速度為V，如果朝向光源運動，測得的光速就是C+v，遠離光源運動測得的光速就是c-v。

也就是說，測量出來的光速滿足伽利略變化。

再比如，我們向河流中扔了一塊石頭，產生了波紋，由於河流的流動就導致了，朝向上游方向的水波速度變慢，朝向下游方向的水波速度變快。

所以說，如果光真的以以太為媒介傳播，那麼我們相對於以太的運動，就會造成測量的光速出現差異。

但問題是，光速測量非常困難，對光速的測量總是存在誤差，而且光速非常快，大約每秒30萬公里，如果我們相對於以太運動的速度很小的話，那根本測不出任何差異。

不過，美國的實驗物理學家邁克爾遜，還是設計出了一個非常巧妙的實驗，利用了地球在以太中運動的速度，來測量對光速的影響。

我們知道地球不僅在自轉，還在繞著太陽公轉，大約每秒30公里，地球在以太中運動的時候，就像是飛機在靜止的空氣中飛行一樣，迎面會吹來強烈的“以太風”。

這樣就會對光速造成每秒30公里的差異，但是這個差異只有光速的萬分之一，直接對光速測量依舊很難達到這樣的精度。提高我們相對於以太的速度是不可能了，地球的公轉已經是我們能利用得最快速度了。

那麼怎麼辦？邁克爾遜想到了一個絕妙的辦法，不直接測量光速變化，而是透過檢測光速變化，在干涉儀上造成的干涉條紋的移動，來確認地球的運動有沒有影響到光速。

所以邁克爾遜就設計出了這樣一個實驗裝置，它由兩個互相垂直的懸臂，光源，半透鏡和干涉儀組成。

光源產生光線，射向分光鏡，分光鏡會把光線分成垂直和水平的兩束光線，再由全反射鏡反射回來，進入干涉儀產生干涉圖樣，

這裡需要注意的是，光在豎直和水平方向上的走過的路程是一樣的，如果光速沒有變化，那兩束光就會同時達到干涉儀，干涉儀就能夠檢測出兩束光干涉以後的波長。

如果某條懸臂上的光速出現變化，那麼兩束光就不再同步達到干涉儀，那麼幹涉條紋就會發生移動。

1881年邁克爾遜首次進行了檢測以太的實驗，按照最初的設想，地球繞著太陽在以太中運動，只要轉動干涉儀的角度，那麼以太就不會對其中一條懸臂上的光速產生影響，因為兩條懸臂是垂直的。

而且按照地球在以太中運動的速度，估計出在干涉儀中檢測到光的波長應該會出現0。04倍波長的變化。

經過重複多次的實驗，可是結果顯示，干涉以後光的波長沒有發生任何變化，其間地球的公轉方向已經明顯發生了變化。

這次實驗的失敗，沒有檢測到地球相對於以太的運動，並沒有被人們認可，很多人說，你這干涉儀太小了，兩個懸臂只有1。2米，光速那麼快，都不夠光跑的，你這實驗精度不夠，因此檢測不到以太。

邁克爾遜也認為以太肯定存在，自己沒有檢測到，是因為干涉儀太小，要建造更大的干涉儀，自己能力有限，於是就找到了愛德華·莫雷，這位建造實驗裝置的行家。

他倆做出來的新幹涉儀懸臂達到了12米，而且為了消除振動對實驗造成的誤差，他倆還把干涉儀放在了水泥臺上，水泥臺下面是灌滿水銀的水槽。

這次的實驗射裝置可以說非常完美，精度比原來提高了10倍，可以檢測到0。01倍的波長變化，而他們估計以太的存在會在此裝置上造成0。4倍的波長變化，精度完全綽綽有餘。

他們相信這次肯定能測出來地球在以太中運動，計劃實驗要進行大半年的時間，因為地球有近日點和遠日點，公轉速度不一樣。

理想很豐滿，現實卻很殘酷，這麼完美的裝置依然檢測不到波長變化。

圖中的虛線是他們預估出來的波長變化，而他們在1887年測量出來的結果，也就是圖中的實線，可以認為是0，毫無變化。

所以實驗只做了短短的數天，他倆就對實驗結果寫了一篇論文《論地球相對於以太的運動》，發表在了《美國科學期刊》上。

實驗的0結果，讓整個 科學界一片譁然，無法接受，這個結果說明了，要麼是牛頓錯了，要麼是麥克斯韋錯了，必須二選一。

可當時人們既想要麥克斯韋，又捨不得牛頓，所以在苦苦掙扎的痛苦當中又開始找補，說干涉儀的懸臂在以太中運動的時候，受到了以太風的壓力，變短了，正好給抵消了光速的變化。

這個說法非常的討厭，因為你無法測量懸臂是不是真的變短了，當你測量的時候，你的尺子也會相應的變短，所以測出來的結果是沒有變短。因此這種說法無法被證偽。凡是無法被證偽的理論，都算不上科學，只能算是抬槓。

在面對這種二選一的困境時，能夠做出突破的一般都是那些初出茅廬的年輕人，他們沒有那麼多的顧慮，俗話說，亂拳打死老師傅，這位不按套路出牌的人就是瑞士伯爾尼專利局的一位三級技術員，他叫愛因斯坦。

這是我們下節課的內容。

最後，我們說下邁克爾遜-莫雷實驗能不能直接證明光速恆定？

先說結論，這個實驗並不能證明光速恆定，它只是證偽了以太理論。因為邁克爾遜-莫雷實驗的前提是，假設以太這個靜止的參考系存在，會對光速造成差異，而實驗結果沒有檢測到光速變化，只是證偽了這個前提假設，證偽了所有光媒介靜止參考系的存在。

而實驗中出現的光速不變，可以用很多亂七八糟的理論去解釋，比如你說光傳播可能存在其他介質，這個介質並不是靜止的，地球在運動的時候會和這種介質發生相互作用，導致了我們檢測到的光速沒有變化，邁克爾遜莫雷實驗並不能都證偽你的這個理論，所以它並不能直接確切的證明光速恆定不變。

而且更為重要的是，任何實驗都不能證明什麼，只能證偽某些假設是錯誤的，或者是驗證某些理論暫時是正確的。

比如你說了一句，天下烏鴉一般黑這個理論，然後你就開始全球去實地考察你的理論，你發現，你看到的烏鴉都是黑的，這能證明你的理論是正確的嗎？

並不能，因為你無法保證這個世界上在某個地方沒有白烏鴉，或者說以後不會出現白烏鴉，因此你的實驗只是驗證了你的理論暫時性是正確的。

並不是證明，你的理論就是完全正確的。

如果有一天，某人抓了一隻烏鴉發現是白色的，那麼這就證偽了你的理論是錯誤的。所以說，實驗本身並不是證明什麼，只能驗證和證偽某些東西。

好了，今天就說到這裡。