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邁克耳孫莫雷實驗

以太,相信很多人都聽說過這個概念,尤其是對愛因斯坦相對論誕生過程比較了解的人,更是對“以太”的概念再熟悉不過了。

在愛因斯坦提出相對論之前,以牛頓經典力學為基礎的絕對時空觀統治著整個物理學界,當時的物理學界大佬視“經典力學”為“神明”,根本不會去質疑經典力學是否真的正確,也沒有質疑的理由,因為經典力學已經統治物理學界幾百年了,而且看起來可以“上天入地”,怎麽可能懷疑呢?

以太的概念由來已久,不過這裏所說的以太是為了調和麥克斯韋方程組與經典力學之間的矛盾而產生的,是近現代物理學的概念。

在物理學家們對牛頓的絕對時空觀深信不疑時,麥克斯韋方程組橫空出世,給絕對時空觀出了壹道難題。

按照絕對時空觀的詮釋,萬事萬物的運動速度都是相對的,沒有絕對速度的存在。不過在麥克斯韋電磁理論中,有壹個公式表明,光速好像是個例外,光速不需要參照系,它只與真空的磁導率和介電常數有關。

說白了,光速是絕對的,相對於任何物體(不管運動與否)都保持不變。

這下麻煩了:麥克斯韋電磁理論竟然與統治物理學界幾百年的牛頓經典力學矛盾?

物理學家決不允許這種事情發生,於是他們堅決捍衛牛頓經典力學,想盡各種辦法調和兩者之間的矛盾,開始了“左右逢源”!

以太的概念應運而生。

物理學家們假設壹種叫做“以太”的東西存在於宇宙每個角落,它沒有質量,可以絕對滲透宇宙空間,同時以太也是絕對的參照系,絕對靜止,其他任何物體都相對於以太運動。

以太的這種特性很好地協調了麥克斯韋電磁理論與牛頓經典力學之間的矛盾,也普遍被當時的物理學界接受。

物理學家也開始欣喜若狂,認為當時的物理學大廈已經基本完成,之後的發展只需要進行小修小補就可以了,不會有什麽大的修改或者發現了。

但沒想到的是,當時並不被物理學家們很重視的“兩朵烏雲”其中之壹,徹底顛覆了牛頓經典力學下的絕對時空觀。

“這朵烏雲”就是邁克爾遜莫雷實驗(實驗過程不再詳述),這個實驗表明了壹點:光速是絕對的,即使相對所謂的“以太”,光速也沒有任何改變。

這就奇怪了:如果說以太是絕對靜止的參照系,其他任何物質在不同運動狀態下測量到的速度肯定是不同的,但光顯得很特別,無論在何等狀態下測量,光的速度就是恒定保持不變。

當時的物理學家們對於邁克爾遜莫雷實驗深表懷疑:他們不相信壹個實驗就能推翻剛剛建立起來的物理學大廈,這種懷疑很正常,畢竟連邁克爾遜莫雷本人也懷疑是不是實驗本身出了問題!(可見當時的經典力學在物理學界的統治地位)

於是,邁克爾遜莫雷反復做了幾次實驗(其他物理學家也做過類似實驗),但結果仍舊沒有任何改變:光就是傲慢地保持不變!

但經過幾百年才建立起來的以經典力學為基礎的物理學大廈豈能因為壹個實驗而轟然倒塌?當時的物理學界堅持認為邁克爾遜莫雷實驗是錯誤的,壹定是實驗過程出現了某些紕漏,邁克爾遜甚至到死也不相信實驗結果!

但無論如何,科學是嚴謹的,物理學家不可能對實驗結果視而不見。於是又開始了“左右逢源”。

其中洛倫茲是左右逢源的“好手”,他也不願意拋棄“以太”的概念,這樣解釋:在測量光速的過程中,測量者相對於以太有壹定的運動速度,於是長度發生了變化(收縮),由此抵消了光在不同方向上產生的差異。

但是,結果還是治標不治本。隨著類似實驗越來越多,測量結果越來越精確,以太這個絕對靜止的參照系帶來了越來越多的矛盾,人們開始懷疑以太是否真的存在,畢竟以太的概念壹開始就是假設的,看不見摸不著。而邁克爾遜莫雷實驗本身是真實存在的,人們沒有理由不懷疑以太是否存在。

但沒有辦法,牛頓的絕對時空觀在當時的物理學家心目中是如此的根深蒂固,以至於物理學界很難因為壹個實驗徹底推翻剛剛建立起來的物理學大廈。

必須要有壹個具有顛覆性思維的大腦出現,而愛因斯坦恰恰具有這種大腦。

愛因斯坦用“奧卡姆剃刀”壹下把“以太”哢嚓掉了,結果就是:所有問題都解決了!

在愛因斯坦看來:既然壹切的壹切都是因為以太的概念導致了,而這個概念本身又是假設的,為什麽不能拋棄以太的概念,重新建立起壹套更完整的物理學體系呢?

於是,基於“光速不變原理”和“相對性原理”兩個前提(其實也是兩個假設),狹義相對論應用而生,絕對時空觀徹底被顛覆,相對時空觀問世!

事實上,當時的幾個物理學家已經馬上觸摸到狹義相對論了,比如說龐加萊,只是他不願意放棄以太的概念,結果就是遺憾地與狹義相對論失之交臂!

這裏還要強調壹點,任何科學理論都是建立在假設的基礎上,只要妳的假設能夠自洽,而且能夠比別的假設更好地詮釋大自然現象,就是好的假設。但是假設必須越少越好,因為假設越多,出錯的幾率就越大。

狹義相對論的建立也是建立在兩個假設的基礎上。既然是假設,那妳就有理由不相信:幹嘛非要相信假設的東西呢?同時,妳也完全可以提出自己的假設來代替愛因斯坦的假設,但前提是妳的假設必須更完美才行,不然別人為何要相信妳的假設呢?

但是,為什麽壹百多年過去了,科學家越來越相信狹義相對論呢?

答案很簡單:狹義相對論經受住了科學家們的各種考驗,在不斷的驗證過程中,狹義相對論的地位也越來越堅固!

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