迈克尔逊干涉仪_图文_百度文库
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迈克尔逊干涉仪
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论坛世界（475）&&
&关于两种以太观的对话
我想写一本拨乱反正的书，就想到了模仿伽利略《关于两种新科学的对话》格调。书中葛新（革新）是创新派，宗荣（中庸）是中间派，黄宝（皇保—保皇）是保守派。
全书以以太为主线，深入地研究了以太的种种性质。
主要写对迈克尔逊——莫雷试验的一个创新的物理解释；用太阳耀斑的观测结果证明不同频率的电磁波的速度是变化的；提出以太存在的新证据；洛仑兹变换是错误的；狭义相对论是错误的；以太是超流体；并用以太构造磁和光的物理模型等等。
请您和大家批评指正。
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星光可以从遥远的星系出发，穿过虚无一物的太空来到地球，这对波动说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字，叫做“以太”(ether)。就在这样一种奇妙的气氛中，光的波动说登上了历史舞台。
正如我们在上面所看到的，以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的由来则早在古希腊就已经有了。亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识，他认为日月星辰围绕着地球运转，但其组成却不同于地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美无缺的，它们只能由一种更为纯洁的元素所构成，这就是亚里士多德所谓的“第五元素”——以太。
而自从这个概念被借用到科学里来之后，以太在历史上的地位可以说是相当微妙的。一方面，它曾经扮演过如此重要的角色，以至成为整个物理学的基础；另一方面，当它荣耀不再时，也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎，改换头面，赋予自己新的意义，却仍然逃不了最终被抛弃的命运，甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词。
但无论怎样，以太的概念在科学史上还是占有它的地位的，它曾经代表的光媒以及绝对参考系，虽然已经退出了舞台中央，但毕竟曾经担负过历史的使命。直到今天，每当提起这个名字，似乎仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片，记载了一个贵族光荣的过去。今天，生活在现代的我们每每看到以太这个词的时候，是不是也生出几许慨叹？
在十九世纪最后的十多年里，“以太”理论成了物理学中极为灿烂的一颗明星。人们设想自然界中所有的力和作用全都靠“以太”形成。“以太”与原子并列，被看成是宇宙的基本构成要素。
以1900年为分界线，“以太”这颗明星便开始殒落。造成这颗明星殒落的根本原因是迈克尔逊——莫雷试验的零结果。在物理学史上，这是一个转折点。迈克尔逊为了证明以太的存在精心设计了一个用光的干涉来探测以太漂移的试验。
当时人们认为，我们周围的空间中存在着一种称为以太的物质，它是光的媒介。光行差现象证明以太相对太阳静止，地球以30公里/秒的速度在以太中运动。为了能捕捉到这种以太漂移，迈克尔逊把干涉仪固定在地球上，他认为干涉仪两条干涉臂上的光除了以光速在干涉臂上运动外，还会随地球一起以30公里/秒的速度在以太中运动。他根据以太对光来说是流体和干涉仪试验中的具体参数，计算出在试验过程中，只要将干涉仪转动90度，屏幕上光的干涉条纹会移动0.4个条纹。但试验的结果是干涉条纹没有任何移动，后经多次重复试验结果仍然相同，后来把这个没有条纹移动的现象称为“零结果”。这一结果漂亮地否定了以太漂移，否定了“以太风”。以太风不存在，以太自然也就没有必要存在了。
以太是一个历史上的名词，它的涵义也随着历史的发展而发展。
在，以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中，有时又用以太来表示占据天体空间的物质。17世纪的笛卡儿是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家，他最先将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。
在看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用。因此，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力。
后来，以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克首先提出的，他认为光是一种波。惠更斯作了进一步发展。在相当长的时期内(直到20世纪初)，人们对波的理解是某种媒介物质的力学振动。这种媒介物质就称为波的荷载物，如空气就是声波的荷载物。
由于光可以在真空中传播，因此惠更斯提出，荷载光波的媒介物质就是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中。以太除了作为光的媒介以外，惠更斯也用以太来说明引力的现象。
法拉第认为电磁的相互作用也是通过一种叫做“以太”的特殊物质而传递的，当时的“以太”假说认为，物质之间没有绝对的真空，空间到处充满一种特殊的物质——以太，它具有一系列奇特的性质，在其中可以激发各种非常复杂的物理过程，包括传递电磁作用。麦克斯韦创立他的电磁理论时就直接援用了法拉第的观点，在他看来，电磁波就是“以太”中的一种弹性横波。后来，赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。光的电磁理论成功地解释了光波的性质，这样以太不仅在电磁学中取得了地位，而且同光也统一了起来。
牛顿虽然不同意胡克的光波动学说，但他也像笛卡儿一样反对超距作用，并承认以太的存在。在他看来，以太不一定是单一的物质，因而能传递各种作用，如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动，但以太的振动不是光，因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象，也不能解释光为什么会直线传播。
在十九世纪最后的十多年里，“以太”理论成了物理学中极为灿烂的一颗明星。人们设想自然界中所有的力和作用全都靠“以太”形成。“以太”与原子并列，被看成是宇宙的基本构成要素。
但在洛伦兹理论中，以太除了荷载电磁振动之外，不再有任何其他的运动和变化，这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系，它已失去所有其他具体生动的物理性质，这就又为它的衰落创造了条件。
18世纪是以太开始没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律，而使牛顿的追随者起来反对笛卡儿哲学体系，因而连同他倡导的以太论也一同进入了反对之列。
以1900年为分界线，“以太”这颗明星便开始殒落。当时，一方面，为了说明物体在“以太”中运动丝毫不受阻力，必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多；为了说明为什么电磁波是横波，并以极大速度传播，又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性，这是不可思议的。另一方面，固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波，但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。然而，造成这颗明星殒落的根本原因是迈克尔逊——莫雷试验的零结果。从十九世纪末到二十世纪初，人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论：从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从斐索流水试验的结果来看，物体是部分带动“以太”；但是从人们精心设计的迈克尔逊——莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动。于是迈克尔逊——莫雷试验的零结果无情地否定了“以太风”。又因为人们认为，既然没有“以太风”，那当然也就没有“以太”了。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁，仍然无法解决这一矛盾。最后只好依依不舍而又无可奈何地抛弃了“以太”，从而诞生了洛仑兹
“尺缩”、“钟慢”的电子论。
在19世纪末和20世纪初，虽然还进行了一些努力来拯救以太，但在狭义相对论确立以后，它终于被物理学家们所抛弃。人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念，而场可以在真空中以波的形式传播。
&由于造成这颗明星殒落的根本原因是迈克尔逊试验的零结果，我们必须认真地弄清迈克尔逊试验的原理。
根据光行差现象，地球以30公里/秒的速度在静止的以太中穿行。因此，在地球上就能感受到“以太风”。就象在汽车前进时，头伸出窗外有风一样。人们千方百计企图测出“以太风”，并以此来证实以太的存在。
1881年，迈克尔逊（A.A.Michelson）首次用他所发明的一种空前灵敏的仪器——迈克尔逊干涉仪来测量地球相对于以太的运动，也就是“以太风”。这是一个极为重要的试验，为了容易明白历史上原本的观点，我们用一个简单的类比来介绍迈克尔逊实验。
假定在一个段宽度为L的平直河道上有两艘小船A和B，河水的流速为u，两船相对于水有相同的速率V。船A从一岸横渡到正对岸然后返回出发点；船B平行于河岸向下游驶过距离L然后返回出发点。可以想像，由于水流对两船的影响不同，它们往返同样距离所需的时间是不同的。现在就让我们来计算每一船来回所需的时间吧。
先说垂直于河岸的情形。
我们首先考虑垂直于河岸的A船的情形。为了实现正对对岸过河，必须使船头斜向上游前进。船速（相对于河水来说）沿上游方向的分量等于-u，以抵消河水流速u,
剩下的分量V&作为A船横渡的净速。这些速率的关系为：
V²=V& ²+u²
所以A船过河的实际速率为：
V&=√V²-u²)=V√(1-u²/V²) &
因此，A船过河的时间是L除以速率V&。此外，由于回程也要用完全相同的时间，故总的来回时间 ：
T=2L/ V&=2L/ V√(1-u²/V²)&
…………………………………………(1)
再说平行于河岸的情形。
平行于河岸的B船的情形有些不同，当它顺流而下时，它相对于河岸的速率为V+u，因而它向下游航行距离L的时间为L/V+u。然而，在它回程时，相对于河岸的速率却减为V—u，因此，它回到上游出发点需要较长的时间为L/V—u。总的来回时间t等于这两段时间之和，即：
t=(L/V+u)+( L/V—u)=2L/[V
(1-u²/V²)]………………………………(2)
最后说说迈克尔逊实验的设计思想。
迈克尔逊—莫雷实验的设计思想类似于上述思路。在他们的实验中，固定在实验室中的测量装置仿佛是“河岸”，漂移着的“以太风”类似于“河流”，相对于以太以恒定速率传播的光波相当于“小船”。于是，相互垂直的两束光往返于同样距离所需的时间差异，就是“以太漂移”的表现。具体的实验装置是用一面半镀银的半透镜子形成两束相互垂直的光束，其中光束A沿垂直于以太风的路径射向镜子A，光束B则沿平行于以太风方向的路径射向镜子B。整个光学装置使两束光反射后回到同一观察屏上产生干涉现象。&&&&&&
我们知道，如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，它们在到达观察屏时就有相同的位相，干涉的结果是形成最亮的明亮视场。如果光程差不是波长的整数倍，则这两束光在屏上有不同的位相，干涉的结果是强度发生变化。在实际的实验中，镜A和B可以是不完全垂直的，结果在光束中相邻光线的光程差稍有不同，以致在观察屏上出现明暗相间的干涉条纹。如果仪器中随便哪一束光的光程相对于另一束光的光程发生变化，则整个光束产生相同的位相变化，于是在两束光叠加的范围内干涉条件产生一致的变化，在观察展屏上显示出干涉条纹整个地移动。
如果路径A和B取一样长（实际上正是这样做的），那么两束光的光程是不是一样呢？如果假定光速在以太中才是c，那就显然不是的。因为，正如A、B两艘小船一样，两束应以不同的时间走完它们的路程；也正如两艘小船对于河水走过不同的路程一样，两束光在以太中所走过的路程也是不一样的，即它们应有一定的光程差。这个光程差确定了一组条纹的位置。现在如果将整个仪器装置转过90
，则两路径A和B相对于假设的以太来说，地位互相交换，相应的二者的光程差也交替变化，结果屏上的干涉条纹会在仪器转过90
时发生移动。实际计算表明，如果“以太风”的速度是地球公转速率的数量级的话（考虑到太阳也可能相对于以太运动，它或许会更大一点），由此引起的干涉条纹移动，应该是完全能够观察到的。
下面仅用中学知识进行迈克尔逊—莫雷实验的有关计算。
我们在以太假说的基础上来计算干涉条纹预期的移动。与方程式（1）和（2）一样，由于以太漂移而引起的两条路径上传播的时间差为：
Δt = t-T = 2L/[V (1-u²/V²)] - 2L/ V√(1-u²/V²)
这里u为以太风的速率，作为估算，我们取地球的轨道速率，即u=3&104米/秒；而V为光速，即V=c=3&108米/秒，因此：
u²/V²= u²/c²=10-8
10-8比1小很多。按二项式定理，当x&&1时。(1±x)n≈
(1±nx)。因此我们可以把 近似地展开为：
Δt≈2L/c[(1+ u²/c²)-(1+ u²/2c²)]=(L/c)( u²/c²)
其中L为半镀银镜到每一反射镜的距离。
相应于这个时间差的光程差为：
d=cΔt =L&( u²/c²)
在整个仪器转过90时，光束之一的光程增加了d，而另一光束的光程却减少了d，于是两束光之间光程差的改变为Δ=2d。如果相应于光程差Δ有m条干涉条纹移过视场，则按干涉理论知Δ=mλ，其中λ为所使用的光波波长。联立上述有关式子，得移过视场的干涉条纹数为：
m=2L u²/λc²
在迈克尔逊和莫雷的实验中，利用多次反射使有效长度L大约为10米，而他们所使用的光波波长大约是5&10-7米，因此，当仪器转过90时，预期引起的条纹移动数为：
m=2L u²/λc²=0.4
这样大的条纹移动数目是容易观察到的，因而迈克尔逊和莫雷期待能够用实验直接证明以太是否存在。
迈克尔逊—莫雷实验的结果却使当时的每一个人都感到惊奇，因为在实验误差范围内竟然完全没有发现条纹移动！
迈克尔逊为实验的失败感到泄气，没有继续做这个实验。但是，瑞利勋爵和开尔文勋爵却认识到这个实验的重要性，一再鼓励和催促他进一步做实验，洛仑兹还具体提出了改进实验的意见。日迈克尔逊给瑞利复信说：“你的来信又一次点燃了我的热情，并促使我立刻开始这项工作。”其实，他早已同化学家莫雷（Edward
W.Morley，）合作于年重复了菲索的实验，获得了精确的结果；他们对仪器进行了改装，在1887年7月，完成了现在闻名世界的实验。莫雷当时已很有声望，在物理、数学和实验方面也很有素养。在原来实验的基础上，莫雷提出了很多改进意见。他们的主要改进是：考虑了地球的运动对垂直臂光线路径的影响；经过八次来回反射，使光路长达十一米；将仪器的光学部分安装在很重的大石板上，再把石板浮于水银面上，使它可绕中心轴自由转动。于是，实验的精确度大为提高，根据计算，估计可以测得0.4个条纹移动。
但是，他们通过四天的观测，得到的结果仍然是零。在1887年11月发表于“美国科学杂志”上的报告中他们写道：
“实际观测到的干涉条纹的位移肯定小于预期值的二十分之一，或许还小于四十分之一。由于这个位移与速度的平方成正比，地球相对于以太的速度也许小于地球轨道运动速度的六分之一，肯定小于四分之一。”
他们对这一实验结果感到十分失望，原来打算在不同季节继续实验的想法也取消了。但他们却因这个实验创制了一个精密度达到四亿分之一的测长仪器，于是他们就运用这套仪器转向长度的测量工作。1907年，迈克尔逊由于在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的基本量度”的研究工作而荣获诺贝尔物理学奖金。
这个实验后来由不同的人在不同的季节和不同的地点多次重复过，结果总是一样：没有检测到“以太风”的存在。
　迈克尔逊的实验结果一宣布立即在物理学界引起一场轩然大波，本来万里无云的蓝天上突然出现了一朵乌云。因为以太一旦被否定，牛顿力学的绝对时空观将要从根本上动摇。已经伴随人们过了两个世纪，指导物理学家作出无数发现的牛顿力学现在突然失灵了，经典物理学家金碧辉煌的大厦突然出现了裂缝；
否定了以太还否定了电磁理论所要求的菲涅耳的静止以太说，这就使电磁学的基础受到了冲击。零结果使洛仑兹极为困惑，一再追问：
“在迈克尔逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗”？于是各国的物理学家们纷纷提出各种方案来挽救以太，总希望迈克尔逊的实验能有另一种解释。
　　1892年英国物理学家斐兹杰惹提出了一个挽救以太的好办法。他假设一切物体在自己的运动方向上都要收缩，而且还给出一个公式，收缩的大小随运动的速率而增加。每秒运动11公里的物体，收缩十亿分之二左右，每秒运动26万公里的物体，收缩百分之五十。物体运动的速度达到光速，它在运动方向上的长度就变为零。长度的收缩不会出现负值，所以光速也就是宇宙中所能达到的最高速度。这就是有名的斐兹杰惹收缩。
　　荷兰物理学家洛伦兹1904年提出一个更严密的假设，他在一篇论文中说：当电子在以太中运动时，电子将会从圆球变为椭球(它沿运动方向的半径变短)。这样收缩说就更有根据了。为挽救以太，他还提出了著名的“洛伦兹变换”，说明相对运动的坐标系之间的转换关系。和斐兹杰惹的长度缩短相似，洛伦兹又提出当电子运动的速度达到每秒26万公里时，质量会增大百分之百；而达到光速时，质量无限大，这当然不可能，又正好说明光速是一个极限。
回忆一下当时一些著名科学家对以太的态度也是非常有启发的。
声名卓著的开尔芬就十分热衷于构造以太的力学模型。他在1884年宣称：“在我没有给一种事物建立起一个力学模型，我是永远也不会满足的。”1890年，他提出电效应是由以太的平动引起的，磁现象是由以太的转动引起的，而光是却是由以太波动式的振动引起的。
洛仑兹在世纪之交虽然积极参与了物理学的几个前沿领域，却极力设法修补旧理论，总想在不触犯经典理论框架的前提下把力学和电动力学调和起来。但是，1887年迈克尔逊实验否定了为电磁理论所要求的菲涅耳的静止以太说，使电磁力学的基础受到了冲击。洛仑兹为此而郁郁不乐，他于1892年写信给瑞利说：“我现在简直不知道怎样才能摆脱这个矛盾。不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，………我们就根本不会有一个合适的理论了”。
……….直到晚年，他还认为以太是具有一定优点的概念。
据玻恩回忆说：“我在洛仑兹逝世前几年看望他时，他对相对论的怀疑态度没有改变。”据板田昌一讲，洛仑兹面对波粒二象性的新概念，曾绝望地哀叹：“在今天，人们提出了和昨天所说的绝然相反的主张。这样一来，已经没有真理的标准了，也不知道科学是什么了，我真后悔我未能在这些矛盾出现前五年死去。”
玻耳兹曼直到1902年还公开宣称：“力学是整个理论物理大厦赖以建立的基础，是所有其他科学分枝赖以产生的根源。”
迈克尔逊本是想以精确的实验为以太的存在提供证据，不想结果适得其反，却从根本上否定了以太。正是：机关算尽太聪明，反误了以太性命。但迈克尔逊并不认为实验否定了以太，他至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”。
J.J.汤姆生在1909年宣称：“以太并不是思辩哲学家异想天开的创造，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。”
爱因斯坦在以太问题上也曾犹豫不定。他在题为《以太和相对性原理》的讲演中说：“根据广义相对论，空间没有以太是不可思义的。实在的，在这种（空虚的）空间中，不但光不能传播，而量杆和时钟也不可能存在，因此也就没有物理意义上的空间——时间间隔。……..因此在这种意义上说，以太是存在的。”他甚至说到：“至于这种新以太在未来物理学的世界图象中注定要起的作用，我们现在还不清楚。”
在面对宇宙背景辐射等实验事实，许多多著名物理学家都认为应当恢复以太假设。伯格曼认为，在宇观尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为，无论如何，观察到的2.7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系。迈克尔逊和莫雷的梦想变成了事实，即找到了我们太阳系的绝对运动。斯塔普认为，2.7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。协同学创始人哈肯也认为，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但宇宙背景辐射却成了一个绝对的参考系。罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。胡宁认为，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间并不存在任何矛盾。
最后，我们看一看当代代著名物理学家狄拉克对此作出的评论。早在1970年，狄拉克就指出：“以太观念并没有死掉，它不过是一个还未发现有什么用处的观念，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。”
这个出人意外的“零结果”具有重大意义，它从根本上否定了“以太”的存在，确认了光速在真空中是个恒量，揭示了绝对时空观的局限性。1905年，爱因斯坦在光速不变性和相对论原理的基础上，建立了狭义相对论，完成了人类对时空认识的突破。爱因斯坦是这样来评价迈克耳逊一莫雷实验的：“有许多否定的结果不是都十分重要的，但是迈克耳逊实验却给出了一个任何人都应当理解的真正伟大的结果。”
对“零结果”的真正的合理的物理上的解释还没有找到，否定 “以太”的存在和狭义相对论正确还为时太早。
历史上有些重要的物理概念或理论被后来的事实所推翻，如地心说、热质说、燃素说等。伽利略就是以推翻了亚里士多德的运动要力维持和物体越重下落越快的观点出名的。
迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”的现行解释也是不对的。所以否定
“以太”的存在和狭义相对论正确的观点也是不对的。因为迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”的现行解释是数学解释而不是物理解释。
麦克斯韦电磁理论建立在静止以太观念的基础之上，洛仑兹电子论也是以静止以太作为绝对坐标系的，因此，如何在实验上证明静止以太的存在就成为人们普遍关切的问题。
菲涅耳认为，在静止以太中运动的物质会部分地带动以太，并导出了著名的曳引系数公式。菲索用干涉方法测量了流水中的光速，证实了菲涅耳的曳引系数。洛仑兹则认为，以太始终是静止的，不受运动物体的任何干扰，用电子论导出了菲涅耳曳引系数。但绝对静止的以太是否存在仍然没有直接的实验证据。
这一无可争辩的实验结果显然与菲涅耳的以太理论相违背，因而使洛仑兹极为困惑，正是在这样的背景下，为了挽救以太理论，洛仑兹提出了长度收缩假设。
1892年末，洛仑兹发表了《论地球和以太的相对运动》一文。洛仑兹在文中写道：“这个实验长期使我感到不安，最终我能想出一个唯一方法来调和它的结论与菲涅耳的理论，它由这样一个假设构成：
连接一固体上两点间的连线如果开始时平行于地球的运动方向，当它接着转过90度后就不再保持相同的长度。若一尺子在静止时的长度为L0，则当它沿纵向运动时，就缩短成L0√(1-u²/V²)。
&洛仑兹关于长度收缩的电子理论是这样的：物体是由原子组成的，而原子又是由带负电的电子和带正电的部分所构成。一把尺包含着一定数目的原子，它的长度决定于原子间的距离。洛仑兹假定，原子间的作用力主要是电磁力，原子就分布在其他原子对它的电磁作用的平衡位置上面。由麦克斯韦方程组（假定它在相对于以太静止的参照系中成立）可以计算出荷电粒子周围的电磁场。当粒子在以太中静止时，它的电势在各个方向是对称的，就是说，等势面是一个球面，电势Φ=q/R（其中q为粒子的电荷，R为由粒子到所考察点的距离）。当粒子以速度u相对于以太运动时，计算发现力场不再是球对称的，等势面变为一个旋转椭球，垂直于运动方向上的直径不变，而在运动方向却以比率√(1-V²/C²)缩短。这显然是电荷在以太中运动的效应。
由于固体中总的力场等于构成它的所有粒子的力场之和，因此整个力场应该在运动方向收缩而在垂直方向保持不变，正如单独一个带电粒子的场所发生的变化情况一样。可以想象，此时每个原子的平衡位置应该在运动方向上相互靠近，因而整个固体也就在这方向以相应的比例√(1-V²/C²)缩短。结果，一条相对于以太静止时长度为l0的测量杆，当它以速度u沿着长度方向相对于以太运动时，将具有长度l=
l0√(1-V²/C²)。但是，如果杆垂直于运动方向，它的长度当然不会改变。
所以，把迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”的现行解释说成是数学解释而不是物理解释有点站不住脚吧？
把迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”的现行解释说成是数学解释而不是物理解释的理由是这样的：
在前面迈克耳逊一莫雷实验的计算中有一个光在水平臂和垂直臂上传播的时间差
Δt = t-T = 2L/[V (1-u²/V²)] - 2L/ V√(1-u²/V²)
迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”就是Δt = 0，于是
L/[V (1-u²/V²)] = L/ V√(1-u²/V²)
把光在水平臂和垂直臂上传播的距离分别记为L和L0，
L/[V (1-u²/V²)] = L0/ V√(1-u²/V²)
解这个方程得
L= L0√(1-u²/V²)
所以我们完全可以用纯数学的方法得出洛仑兹收缩。
言之有理，那么有不有物理解释呢？如果有的话，请说出来，我洗耳恭听。
迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”的物理解释肯定要大讲特讲，不过不是马上就讲。首先要讲的是洛仑兹收缩假说的验证问题。
洛仑兹收缩假说是可以用实验检验的。用迈克耳逊一莫雷实验的干涉仪就行，不过要将其等到臂的改成不等臂的。和地球运动方向一致的水平臂AB有收缩，和地球运动方向垂直的垂直臂AC没有收缩；转动90度后则是AB没有收缩AC有收缩。如果AB≠AC，转动前后的光程因收缩的一边大小不同产生光程差，从而在屏幕上出现干涉条纹的移动。
莫雷和密勒在开尔文的敦促下，为了检验洛仑兹的收缩假设，于1904年做了一套钢制的不等臂干涉仪进行试验。它做工精细，调节方便，光路达64米，灵敏度有了新的提高。然而，实验结果比1887年迈克尔逊和莫雷所得更接近于零。由于不等臂干涉仪能测量到洛仑兹收缩（干涉条纹会移动），这就是说，洛仑兹收缩假设没有得到实验的证实，而是被试验所否定。
为了更好地验证洛仑兹收缩假说，本人也设计了一台单臂干涉仪。AB=10米（进行5次反射，每次光程2米）&
AC=0.01米。使用红色激光，按计算有0.2个干涉条纹移动，实际上的实验也是零结果。
洛仑兹收缩一直没有正规的实验来检验，我们目前无法知道它是不是真的存在，于是我作了一个试验来检验它的存在性。实验证明它是不存在的，这个问题就大了，会引起物理学天翻地覆的变化。因此通过试验来证实洛仑兹收缩是否真的存在，就是一件极其有意义的大事。
物理学是一门实验科学。在物理学中，每个概念的建立，每个定律的发现，无不有其坚实的实验基础。实验在物理学的发展中有巨大的意义和推动作用。可以说，离开了物理实验，就无法谈论物理学的发展。伽利略的实验研究，特别是他把实验方法和数学方法相结合来研究物理规律，使物理学开始走上了真正的科学道路。诚然，物理学理论也有一定的相对独立性。理论物理学用逻辑推理的方法，发现不少定理和规律，并预言了新的现象。然而，即使最权威的理论也必须通过实验的检验，才能得到公认。在物理学史上，许多关键问题的解决，最后都要诉诸实验。例如：杨氏的光干涉实验证实光的波动说，赫兹的电磁波实验证实麦克斯韦的电磁场理论，密立根的光电效应实验证实爱因斯坦的光量子假说……，实验都起着判决性的作用。总之，物理实验为物理学提供了丰富的新事实和新规律，它既是物理学的基础，同时又是检验理论的唯一依据。
对试验的结果分析一定要科学。有时试验结果只是表面现象而并非本质，本质的东西隐藏得很深很深，例如人们看到太阳东升西落的地心说就是这样。如果地球围绕太阳运动，在地球绕轨道直径两端就应该看到有些比较近的恒星相对更远的恒星有一个位移，这一现象也叫做恒星周年视差。但是，自从哥白尼的日心说发表以后，很长时间都找不到这种位移。但是历史是无情的。当时测不出恒星周年视差一是恒星离我们太远，视差的角度太小。二是当时光学玻璃制造工艺的缺陷，使得望远镜精度不够高。一直到十八世纪末，人们的科学试验终于测出了恒星的周年视差，驳倒了地心说这个最顽固的论据，证实了地球确实是在绕太阳运动着。所以说实验是检验真理的唯一标准。
声称自己作了一个重大实验，那是靠不住的。谁能证明？谁认可？发表在那个杂志上？只有发表在权威杂志上，经过别人重复验证，才能被认可。
你说的这些我能理解，也是对的。要在权威杂志上发表文章比登天还难。原来我还想过，现在不想了。无奈之下，已经花了几万元钱把我的试验结果和主要观点发表在某些收费杂志和书刊上。要这些收费杂志的名称吗？
好了，不说这个了，下面开始讲迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”的物理解释。
迈克尔逊——莫雷试验的零结果使迈克尔逊、开尔芬、瑞利、玻耳兹曼和洛仑兹等一大批著名科学家极为困惑，这些人可不是一般水平的人，从这一点来分析，试验某个地方一定有重大问题，只是当时没有找到罢了。洛仑兹一再追问：
“在迈克尔逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗”？在这种无可奈何的背景下，他为了挽救以太理论，才提出了长度收缩假设。
长度收缩说是唯一的吗？不是，在我看来还有一种更好的理论，那就是波动介质变硬说。波动介质变硬说是物质作用论不是运动尺缩论，从而是一种对迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”的物理解释。
人们普遍认为：固体永远是固体，流体永远是流体。但是这个成见对波的传播来说并不成立。
波实际上是由一种往复振动形成的。往复振动时，介质的受力是交变的，当交变力的频率太快，介质向一个方向受力运动后，几乎马上又要受同样大的力向相反方向运动，介质因惯性的缘故根本就来不及作这样的运动。于是，流体介质的微粒象固体分子一样只在平衡位置振动而传播波。此时传播波的地方的介质的流动性自动消失了，或者说此时传播波的地方的介质变硬了。所谓的“硬”，实际上是指介质分子活动范围小到和固体分子活动范围一样。波在流体介质中的传播就变成像在固体中传播一样。由于波在固体中的传播速度要比在液体中快得多，所以只要波的频率足够大，波在流体介质中的传播速度就可以和在固体介质中一样快。这就是波动介质变硬说。
这个观点很新鲜，有道理。不过好象只是定性的，而不是定量的。如果能定量地分析一下就更好了。
由于介质的受力是交变的，分析质点位移很复杂。如果等效地假设波在正半周的平均作用力是不变的，就简单得多了。在此力作用下介质作初速为0的匀加速运动。其移动的距离（等效于在交变力作用下移动的距离）：）：
a是质点位移的平均加速度，此半个周期T/2的时间
t=T/2=1/2ν
ν是波的频率，
s=1/2at2=a/8ν2
由于平均加速度a是一常量，
于是介质微粒在正半周内移动的距离s与波的频率ν的平方成反比，只要频率足够大，介质微粒在半个周期内移动的距离就可以足够小。频率大到一定的值，流动的介质对波的传播而言就和固体没有什么区别了，因为负半周内介质微粒受力和运动方向都会相反。如果不考虑平均加速度a的大小，波的频率达到1012赫兹时（如超声波），介质运动范围便在10-24米范围内。波的频率达到4&1014赫兹时（如红光），介质运动范围更在10-29米范围内。所以，波动介质变硬说从介质微粒运动具体数量级来看也是符合实际情况的。
尽管波动介质变硬说表面看起来很有道理，但特高频超声波是机械波，尽管其频率已经堪比电磁波，它仍然不是电磁波。因此，使用机械以太模型来解释电磁波的传播规律，是行不通的。
看看历史上的机械以太，电磁以太模型是多么的让人沮丧，人们最终不得不承认电磁场的特殊性，承认了相对论和量子力学。
特高频超声波是机械波，它不是电磁波，这当然是对的。但机械波和电磁波既然都是波，它们一定有某种共性，它们波动的物理本质是一样的。也就是说，它们都有传播介质，而且介质在传播波的时候受力是交变的。
历史上的机械以太，电磁以太模型是让人沮丧的吗？这不符合历史。19世纪，以太是物理学中的一颗明星，麦克斯韦的电磁场理论就是从电磁以太的机械模型中推导出来的。
具体地说，在《论物理学的力线》中，麦克斯韦通过类比方法提出了一个新的物理模型。在谈到这一模型提出的根据时，他说：“通过对于下述事实所作的考察：在特定方向上，电解质由于电流而发生移动和由于磁力的作用而发生偏振光的旋转，促使我把磁看作一种旋转现象，而把电流看作一种位移现象。”“旋转的磁”和“位移的电”结合起来就构成了一个旋涡式的电磁以太模型。这一模型在麦克斯韦的第二发现周期中起到了关键性的作用。
电磁以太旋涡模型首先是描述性的，它对以前曾用数学语言概括表述的电磁规律，重新作了力学的唯象解释。按照这一模型，电磁场是由许多旋涡构成的，各个旋涡由于彼此间存在的微粒而相互分立，旋涡的轴指示磁场强度的方向；旋涡的圆周速度与磁场强度成正比；旋涡的切线力表示电场强度，该力的作用使转动着的旋涡表面带动了微粒，而这个微粒流就相当于电流。
人们最终不得不承认电磁场的特殊性，承认了相对论和量子力学，其根本原因就是对迈克耳逊一莫雷实验的“零结果”只有数学解释而没有物理解释。
通常情况下，声音在水中的传播速度为1450米/秒，但20多年前人们惊奇地发现，当超声波频率达到几个特（1特=1012）赫兹时，它在水中的传播速度竟增加了2倍多。
声波在冰中的速度约为3160米/秒，这正好是1450米/秒的2倍多。也就是说，频率达到几个特的超声波在水中的传播速度象低频超声波在固体冰中的传播速度一样。于是我们可以认为水对频率达到几个T的超声波传播的地方变得象冰一样硬。
要注意的是：波动介质变硬说是介质在传播波而且波的频率很高的时候表现出的类似固体的一种性质。它不是因为分子间吸引力大而将分子束缚在一起形成固体而变硬，波动介质变硬仅仅对频率很高的波才适用。同时不是在所有地方都变硬，只是在波传播的地方变硬。这种变硬也不象普通固体那样用手摸得着。
由于真空中的以太是传播光的介质，真空中的以太和水一样，是一种流体；光和声音都是波；光的频率又非常之高，频率最小的红光都超过了400特。因此，有理由认为光在真空中以太中的传播类似于频率达到几个特超声波在水中的传播，因为它们的物理本质是一样的。我们就顺理成章地得到这样一个推论：真空中以太对光传播的地方好象固体一样。
一个严重的问题出现了。迈克尔逊是根据以太对光来说是流体的前题来设计他的试验的，以太对光的传播好象固体一样就说明他的前题是错误的，这个试验的所有的具体计算也都是错误的。
如果以太对光的传播的地方好象固体一样，对迈克尔逊——莫雷试验的零结果就可以重新作出如下解释。
从迈克尔逊干涉仪中半反镜中发出的光，是在半反镜中传播后射出的，半反镜无疑是固体；对从半反镜中射出而进入干涉臂中以太的光来说，传播此光的以太又象固体一样。这样一来，半反镜和相连的传光以太就分别是固体和类似于固体，从而它们好象是两种固体连结在一起。而半反镜又是同地球固联在一起，相当于地球和传播此光的以太也是连结在一起。于是，对从半反镜中所发出的光而言，地球和传播此光的“类固体”的以太之间没有相对运动，没有以太漂移，也就没有以太风。光在迈克尔逊干涉仪的水平臂和垂直臂的相同路程上花的时间相同，没有光程差。将迈克尔逊干涉仪转动90度，干涉条纹当然不会有任何移动，试验出现的零结果也就是必然的了。或者简单地说，真空中的以太对光而言是没有以太风的，即使以太对地球而言有以太风，但迈克尔逊——莫雷试验是用光来探测以太风的，这个试验当然是测不到以太风的零结果。
迈克尔逊——莫雷试验令人信服地和漂亮地证明了真空中的以太对光传播的地方好象固体一样。这就是说以太的确是传播光的介质，以太在传播频率很高的光时能“变硬”，也就是证明了以太具有惯性。我们在这里就已经找到了以太是一种有惯性的物质的确凿的新证据。所以迈克尔逊——莫雷试验正好证明了以太是一种有惯性的物质，而不是否定它。
波动介质变硬现象由于非常罕见而没有引起人们的重视，迄今为止仅仅发现频率很高的超声波在水中传播这样一个实例。以致这一现象一百多年来没有被人们发现，即使是现在仍然鲜为人知。但它确实用牛顿的波动理论推翻了人们对迈克尔逊——莫雷试验零结果的原有解释，推翻了人们否定以太的结论，这可是一次举足轻重的拨乱反正。
我明白你的意思。好比有一艘水陆两栖船在小河里来回横渡和顺水上下相同的距离所花的时间是不相同的，但如果水全部结成了冰，水陆两栖船在水中是船，在冰上则是车。这种车在冰上来回横过小河和顺着河道上下相同的距离所花的时间就一定是相同的了。
光好比是小车，以太好比是冰，光在以太中没有流动，在两个相同距离的水平和垂直臂上所花的时间也一定是相同的。没有时间差，把干涉仪转动90度，干涉条纹当然不会移动。
以太遇光变硬太不可思议了。水遇特高频超声波变硬说得通，因为有实验证明。以太遇光变硬也得要有实验证明才行啊！请出示具体的证明依据。
学术动态 &#
北京相对论研究联谊会学术委员会张志杰纪念室主办主编：吴水清
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