经典物理学的危机

第一节　经典物理学的危机

作为一位大物理学家，开尔文的感觉是敏锐的。然而，他还是低估了这两朵“乌云”的威力。它们从根基上动摇了经典物理学大厦，使经典物理学处于深刻的危机之中。迈克耳孙—莫利的“以太”漂移实验。

开尔文所称的第一朵乌云就是指的迈克耳孙—莫利的“以太”漂移实验。

人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质——“以太”。

最早提出“以太”的是亚里士多德，他认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”，即一种媒质。牛顿发现了万有引力之后，碰上难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播？为了求得解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光与电磁波的介质说成是一种没有重量、绝对可以渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，是电磁作用的传递者；又具有机械力学的性质，是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论与牛顿力学取得协调一致。以太是光电磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。

但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必然会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必然对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。

迈克耳孙出生于今波兰的斯特雷尔诺，两岁时全家移居美国。他以毕生的精力从事光速的精密测定。在他有生之年，他一直是光速测定的国际中心人物。

1879年3月，麦克斯韦写信给美国航海年历局的托德，讨论测定地球相对于以太的速度问题。信中提到，地球上所有测定光速的方法，由于精度所限，都不足以证明检验地球的绝对运动。这封信被迈克耳孙看到，激起了他从事这类实验的热情。为了提高测量精度，他设计了一种干涉仪，即今天最常用的迈克耳孙干涉仪，来测定地球相对以太的运动。

按照经典物理学理论，光乃至一切电磁波必须借助绝对静止的以太来传播。地球的公转产生于相对于以太的运动，因而地球运动的平行方向和垂直方向之间，光通过同一距离的时间应当不同。

1881年，迈克耳孙首次测量，根据计算，他推测干涉条纹的移动数为0．04条。但实验结果出乎迈克耳孙的意料，测到的干涉条纹的移动远小于0．04条，在实验误差范围之内。也就是说测定的结果是否定的。

1884年，开尔文和瑞利访美，他们鼓励迈克耳孙提高精度重做这个实验。于是，迈克耳孙同精通物理学和数学的物理学家莫利合作，改进实验装置，精度达到2×10^－1　0。于1887年重复了1881年这个实验。结果仍未发现条纹有任何移动，也就是得出的结果仍然是否定的。这便是历史上著名的迈克耳孙一莫利的“以太”漂移实验。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，可以得出结论，地球相对“以太”的运动并不存在，或者说“以太”本身就是一个子虚乌有的东西（不过，以此断定以太不存在似也证据不足）。

迈克耳孙奠利实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那么，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。

为了解释这个实验的否定结果，斐兹杰惹于1889年、洛伦兹于1892年先后提出了物体在“以太风”中长度收缩的假说。暂时保全了经典物理学形式上的完美性。不过这为后来爱因斯坦建立狭义相对论准备了思想基础。