“以太漂移”的探索

摘要本文系統(tǒng)的介紹物理學(xué)中“以太漂移”的探索過程，探討以太的性質(zhì)，分析以太的存在與否，并指出在現(xiàn)代物理學(xué)中真空在本質(zhì)上是一種以太。關(guān)鍵詞：以太，以太漂移，實(shí)驗(yàn)，假說如果說，電子和電磁質(zhì)量的發(fā)現(xiàn)，從電的方面為現(xiàn)代物理學(xué)開辟了道路，那么，

“以太漂移”的探索則從光的方面打開了另一個(gè)缺口，促使現(xiàn)代物理學(xué)革命爆發(fā)。1、以太說的起源1.1在物理學(xué)思想的發(fā)展中，“以太”是作為一種特殊物質(zhì)被引進(jìn)物理學(xué)的。1.2笛卡爾1644年發(fā)表的《哲學(xué)原理》中也引用了以太的觀念他認(rèn)為由于太陽(yáng)周圍以太出現(xiàn)漩渦，才造成行星圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)。1678年惠更斯把光振動(dòng)類比于聲振動(dòng)，看成是以太中的彈性脈沖，以太又充當(dāng)了光波的載體。1800年以后，由于波動(dòng)說成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，以太學(xué)說重新抬頭在波動(dòng)說的支持者看來光既然是一種波，就一定要有載體存在。1.5而麥克斯韋則設(shè)想用以太的力學(xué)運(yùn)動(dòng)對(duì)電磁現(xiàn)象作出解釋.他所提出的光的電磁理論，又把產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的媒介和光以太統(tǒng)一起來。在電磁波以光速傳播的預(yù)言被證實(shí)后，以太的存在便在物理學(xué)界獲得了廣泛的承認(rèn)。2、以太絕對(duì)參考系對(duì)于電磁現(xiàn)象的研究，可以定義一個(gè)最優(yōu)慣性系，即相對(duì)于以太靜止的參照系，這實(shí)際上就是牛頓的“絕對(duì)空間”，而且利用在靜止以太中以太恒定速度傳播的光信號(hào)，又可以確定出在宇宙中一切地點(diǎn)都同步的“絕對(duì)時(shí)間”這樣，充滿整個(gè)宇宙的絕對(duì)靜止的以太，就成了牛頓絕對(duì)時(shí)空的物質(zhì)框架3、“以太漂移“的探索3.1光行差得觀測(cè)1725---1728年，英國(guó)天文學(xué)家詹姆斯布拉德雷(Bradley?James)，發(fā)現(xiàn)星光的光行差并用它測(cè)定光速。他測(cè)出的光速是308,300公里每秒，很接近現(xiàn)代數(shù)值299,792公里每秒。這一數(shù)值公布于1729年，它證實(shí)了奧利?羅默1679年公布用另一種方法所測(cè)光速的正確。3.2阿拉果的望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)法國(guó)著名的物理學(xué)家阿拉果從牛頓力學(xué)速度疊加原理出發(fā)，認(rèn)為如果發(fā)光體和觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度不同，光速應(yīng)有差別，于是他親自做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在望遠(yuǎn)鏡外用消色差棱鏡加于望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)的半邊，然后用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)光行差。但是實(shí)際觀測(cè)結(jié)果卻是經(jīng)過棱鏡和不經(jīng)過棱鏡的兩邊，光行差完全一樣。這個(gè)實(shí)驗(yàn)正說明經(jīng)典的速度疊加原理不適用于光的傳播。但是阿拉果和布拉德雷一樣，都是光微粒說的信仰者，只能在微粒說的前提下做個(gè)勉強(qiáng)的假設(shè)。他假設(shè)星體以無數(shù)種速度發(fā)射光的微粒，只是因?yàn)槿搜蹖?duì)光有選擇性，只能接受某一特定速度的光微粒，所以看不出差別。假說一：在透明物體中，以太可以部分地被這一物體拖曳。假說二：假設(shè)透明物體的折射率決定以太的密度。假說三：假設(shè)這些密度與折射率的平方成正比。假說四：真空中的以太是絕對(duì)靜止的，透明物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體只能帶動(dòng)多于真空的那一部分以太。他的假說既解釋了光行差現(xiàn)象，又解釋了阿拉果的實(shí)驗(yàn)。1845年，英國(guó)的物理學(xué)家斯托克斯提出粘性流體運(yùn)動(dòng)理論，次年，他把這一理論用于以太漂移運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為在物體表面，以太會(huì)被運(yùn)動(dòng)物體完全拖曳。他假設(shè)在運(yùn)動(dòng)物體表面附近有一速度逐漸減慢的區(qū)域，形成梯度，離開一定的距離，以太才完全靜止。他的出得結(jié)論與菲涅爾一致，同樣可以解釋阿拉果的實(shí)驗(yàn)。斯托克斯的完全曳引假說看起來比菲涅爾的部分曳引假說更合理些，但是由于不久就有斐索的流水實(shí)驗(yàn)支持了菲涅爾，所以斯托克斯的假說沒有受到重視。3.4斐索的流水實(shí)驗(yàn)1859年，斐索做了一個(gè)流水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是為了考察介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)對(duì)在其中傳播的光速有何影響，從而判斷以太是否被拖曳。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示，光束由光源發(fā)出后，經(jīng)過半透鏡后分為兩束，一束光與水流方向一致，另一束光則與水流方向相反，兩束光在觀察者處產(chǎn)生干涉條紋。證明了菲涅爾公式。郎.51868年霍克用更為嚴(yán)密的以太漂移實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了菲涅爾的部分曳引假說，從而使這一假說成了以太理論的重要支柱。3.5邁克爾孫干涉儀實(shí)驗(yàn)邁克爾遜干涉儀，是1883年美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設(shè)計(jì)制造出來的精密光學(xué)儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋。主要用于長(zhǎng)度和折射率的測(cè)量。邁克耳孫和愛德華?威廉姆斯?莫雷使用這種干涉儀于1887年進(jìn)行了著名的邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的。由此確定了光速不變?cè)?，與狹義相對(duì)論基本原理吻合，證實(shí)了以太的不存在。3.6洛奇的轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)BACHELOR'STHESISBACHELOR'STHESIS邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)菲涅爾部分拖曳假說是一個(gè)致命的打擊。邁克爾孫和莫雷傾向于斯托克斯的完全曳引假說，但是從斯托克斯的完全曳引假說出發(fā)，必然會(huì)引出一個(gè)結(jié)論，即在運(yùn)動(dòng)物體表面有一速度梯度的區(qū)域，如果靠的很近，總可以察覺出這一效果。英國(guó)物理學(xué)家洛奇（OliverJosephLodge,1851—1940）在1892年做了一個(gè)鋼盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，以試驗(yàn)以太的漂移。他把兩塊靠得很近（相距僅1英寸）的大鋼鋸圓盤（直徑為3英尺）平行地安裝在電機(jī)的軸上，高速地旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速可達(dá)4000轉(zhuǎn)/分）。一束光線經(jīng)半鍍銀面分成相干的兩路，分別沿相反方向，繞四方框架在鋼盤之間走三圈，再會(huì)合于望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生干涉條紋。如果鋼盤能帶動(dòng)其附近的以太旋轉(zhuǎn)，則兩路光線的時(shí)間差會(huì)造成干涉條紋的移動(dòng)。但是，不論鋼盤轉(zhuǎn)速如何，鋼盤正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)造成的條紋移動(dòng)都是微不足道的。3.7收縮假說的提出愛爾蘭物理學(xué)家費(fèi)茲杰惹說：“我很有興趣地讀到了邁克耳孫和莫雷先生極其精密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是要判定地球是如何帶動(dòng)以太的，其結(jié)果看來跟其它證明了空氣中以太只在不大程度上被帶動(dòng)的實(shí)驗(yàn)（按：指斐索流水實(shí)驗(yàn)或霍克實(shí)驗(yàn)）相反。我建議，唯一可能協(xié)調(diào)這種對(duì)立的假說就是要假設(shè)物體的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生改變，其改變量跟穿過以太的速度與光速之比的平方成正比?！?892年，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲在《論地球?qū)σ蕴南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)》中獨(dú)立地提出了收縮假說，他給出了嚴(yán)格的定量關(guān)系。即假設(shè)固體上兩點(diǎn)的聯(lián)線，如果開始平行于地球運(yùn)動(dòng)的方向，當(dāng)它后來轉(zhuǎn)90°時(shí)就不再保持相同的長(zhǎng)度。他根據(jù)牛頓力學(xué)的速度加法規(guī)則，推出只要長(zhǎng)度的收縮系數(shù)a為v2/2c2，就可以在（v/c）2的量級(jí)上解釋邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。1895年，洛侖茲發(fā)表《運(yùn)動(dòng)物體中的電和光現(xiàn)象的理論研究》一文，更精確地推出了長(zhǎng)度收縮公式：他認(rèn)為，這一結(jié)果不僅能解釋邁克爾孫一莫雷實(shí)驗(yàn)，而且可以預(yù)言在地球上不可能觀察過以太風(fēng)的各種效應(yīng)，包括各種量級(jí)。他把長(zhǎng)度收縮效應(yīng)看出是真實(shí)的現(xiàn)象，歸之于分子力的作用，并把這些結(jié)論納入他的電子論中。4、結(jié)束語(yǔ)以太說中那個(gè)被加上了種種機(jī)械的、絕對(duì)的性質(zhì)的以太被否定了，但作為天體本原物質(zhì)的以太還沒有完全水落石出。我們已經(jīng)看到，“以太”，空間，真空指的都是具有物理性質(zhì)的物理實(shí)在,只不過名稱不同而已。從唯物主義觀點(diǎn)出發(fā),只要不承認(rèn)超距作用，既然有大量事實(shí)真空性質(zhì)的研究，以太的物質(zhì)性就不可否定。以太的不存在超距作用,不存在絕對(duì)空虛意義上的真空這些精神,至今依然具有旺盛的生命力。笛卡爾提出的“彌漫宇宙、無所不在”的物質(zhì)的真面目還有待最終揭開。我們期待，粒子物理學(xué)的兩大疑難解開之日，將是以太之謎的謎底揭開之時(shí)。QinTiantainPhysics020940205Advisor:ZhouZhenABSTRACTThispaperintroducesthesysteminphysics"Etherdrift"explorationprocess,discussesthenatureoftheether,analyzestheetherexisteneeornot,andpointsoutthatinthemodernphysicsvacuumisinesseneeakindofEthernet.KEYWORDS:Ether,Etherdrift,experiment