“以太漂移”的探索

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

“以太漂移”的探索則從光的方面打開了另一個缺口，促使現(xiàn)代物理學革命爆發(fā)。1、以太說的起源1.1在物理學思想的發(fā)展中，“以太”是作為一種特殊物質被引進物理學的。1.2笛卡爾1644年發(fā)表的《哲學原理》中也引用了以太的觀念他認為由于太陽周圍以太出現(xiàn)漩渦，才造成行星圍繞太陽的運動。1678年惠更斯把光振動類比于聲振動，看成是以太中的彈性脈沖，以太又充當了光波的載體。1800年以后，由于波動說成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，以太學說重新抬頭在波動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而麥克斯韋則設想用以太的力學運動對電磁現(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言被證實后，以太的存在便在物理學界獲得了廣泛的承認。2、以太絕對參考系對于電磁現(xiàn)象的研究，可以定義一個最優(yōu)慣性系，即相對于以太靜止的參照系，這實際上就是牛頓的“絕對空間”，而且利用在靜止以太中以太恒定速度傳播的光信號，又可以確定出在宇宙中一切地點都同步的“絕對時間”這樣，充滿整個宇宙的絕對靜止的以太，就成了牛頓絕對時空的物質框架3、“以太漂移“的探索3.1光行差得觀測1725---1728年，英國天文學家詹姆斯布拉德雷(Bradley?James)，發(fā)現(xiàn)星光的光行差并用它測定光速。他測出的光速是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，它證實了奧利?羅默1679年公布用另一種方法所測光速的正確。3.2阿拉果的望遠鏡實驗法國著名的物理學家阿拉果從牛頓力學速度疊加原理出發(fā)，認為如果發(fā)光體和觀測者的運動速度不同，光速應有差別，于是他親自做了一個實驗：在望遠鏡外用消色差棱鏡加于望遠鏡視場的半邊，然后用望遠鏡觀測光行差。但是實際觀測結果卻是經(jīng)過棱鏡和不經(jīng)過棱鏡的兩邊，光行差完全一樣。這個實驗正說明經(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勉強的假設。他假設星體以無數(shù)種速度發(fā)射光的微粒，只是因為人眼對光有選擇性，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：假設透明物體的折射率決定以太的密度。假說三：假設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靜止的，透明物體運動時，物體只能帶動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驗。1845年，英國的物理學家斯托克斯提出粘性流體運動理論，次年，他把這一理論用于以太漂移運動，認為在物體表面，以太會被運動物體完全拖曳。他假設在運動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。他的出得結論與菲涅爾一致，同樣可以解釋阿拉果的實驗。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驗支持了菲涅爾，所以斯托克斯的假說沒有受到重視。3.4斐索的流水實驗1859年，斐索做了一個流水實驗，實驗的目的是為了考察介質的運動對在其中傳播的光速有何影響，從而判斷以太是否被拖曳。實驗裝置如下圖所示，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年霍克用更為嚴密的以太漂移實驗，進一步證實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邁克爾孫干涉儀實驗邁克爾遜干涉儀，是1883年美國物理學家邁克爾遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設計制造出來的精密光學儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉。通過調整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋。主要用于長度和折射率的測量。邁克耳孫和愛德華?威廉姆斯?莫雷使用這種干涉儀于1887年進行了著名的邁克耳孫-莫雷實驗，結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原理，與狹義相對論基本原理吻合，證實了以太的不存在。3.6洛奇的轉盤實驗BACHELOR'STHESISBACHELOR'STHESIS邁克耳孫-莫雷實驗對菲涅爾部分拖曳假說是一個致命的打擊。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)，必然會引出一個結論，即在運動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。英國物理學家洛奇（OliverJosephLodge,1851—1940）在1892年做了一個鋼盤轉動實驗，以試驗以太的漂移。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）平行地安裝在電機的軸上，高速地旋轉（轉速可達4000轉/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，再會合于望遠鏡產(chǎn)生干涉條紋。如果鋼盤能帶動其附近的以太旋轉，則兩路光線的時間差會造成干涉條紋的移動。但是，不論鋼盤轉速如何，鋼盤正轉與反轉造成的條紋移動都是微不足道的。3.7收縮假說的提出愛爾蘭物理學家費茲杰惹說：“我很有興趣地讀到了邁克耳孫和莫雷先生極其精密的實驗結果，這個實驗是要判定地球是如何帶動以太的，其結果看來跟其它證明了空氣中以太只在不大程度上被帶動的實驗（按：指斐索流水實驗或霍克實驗）相反。我建議，唯一可能協(xié)調這種對立的假說就是要假設物體的長度會發(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。”1892年，荷蘭物理學家洛侖茲在《論地球對以太的相對運動》中獨立地提出了收縮假說，他給出了嚴格的定量關系。即假設固體上兩點的聯(lián)線，如果開始平行于地球運動的方向，當它后來轉90°時就不再保持相同的長度。他根據(jù)牛頓力學的速度加法規(guī)則，推出只要長度的收縮系數(shù)a為v2/2c2，就可以在（v/c）2的量級上解釋邁克耳孫-莫雷實驗的零結果。1895年，洛侖茲發(fā)表《運動物體中的電和光現(xiàn)象的理論研究》一文，更精確地推出了長度收縮公式：他認為，這一結果不僅能解釋邁克爾孫一莫雷實驗，而且可以預言在地球上不可能觀察過以太風的各種效應，包括各種量級。他把長度收縮效應看出是真實的現(xiàn)象，歸之于分子力的作用，并把這些結論納入他的電子論中。4、結束語以太說中那個被加上了種種機械的、絕對的性質的以太被否定了，但作為天體本原物質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的物理實在,只不過名稱不同而已。從唯物主義觀點出發(fā),只要不承認超距作用，既然有大量事實真空性質的研究，以太的物質性就不可否定。以太的不存在超距作用,不存在絕對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”的物質的真面目還有待最終揭開。我們期待，粒子物理學的兩大疑難解開之日，將是以太之謎的謎底揭開之時。QinTiantainPhysics020940205Advisor:ZhouZhenABSTRACTThispaperintroducesthesysteminphysics"Etherdrift"explorationprocess,discussesthenatureoftheether,analyzestheetherexisteneeornot,andpointsoutthatinthemodernphysicsvacuumisinesseneeakindofEthernet.KEYWORDS:Ether,Etherdrift,experiment