在人类物理学的历史上曾经进行过无数次实验,有些实验成功验证了其对应的理论而世界闻名,有些实验则以失败而告终被世人快速遗忘,而有些实验则发现了一些令人匪夷所思现象进而推动了整个物理学的变革,实验是检验理论正确性的唯一标准,但是在物理学史上有这样一次实验,对于进行实验的实验者来说,它并没有成功地证明它想要证明的理论,所以它是一次实验的失败,但正是这次失败的实验却动摇了被奉为真理的经典力学的根基,进而引发了物理学史上一次大革命,所以这次实验又被誉为历史上最成功的失败。
万有引力的伤疤:牛顿以太论
牛顿经典力学(牛顿经典力学的创立从发现成果的形式)
在牛顿生存的那个时代,万有引力与光的问题是物理学家们研究的焦点,关于万有引力,牛顿已经通过数学公式完美的将它表达了出来,但是牛顿的万有引力公式无法解释的是万有引力是如何传播的,牛顿不愿承认这世界上有超距作用的存在,同理,光的传播也是一个无法解释的问题,当时光的波动学很流行,认为光实际上是一种机械波,而且一些实验也展现了光的波动性,但问题出现了,波的传播是需要介质的,但是在宇宙真空的环境中,光竟然能畅通无阻,这显然违背了物理常识,于是牛顿认为在宇宙中一定均匀分布着一种介质,即以太,以太是一种绝对静止的惯性系,光、万有引力都是通过以太传播的,后来随着关于光波动实验不断开展,牛顿的以太论占据了上风,几乎每个物理学家都相信这种绝对惯性系是存在的。
迈克尔逊-莫雷实验:历史上最成功的失败
1887年,美国两个信仰牛顿经典力学的物理学家迈克尔逊和莫雷准备进行一项实验来证明以太真实存在,这就是物理学史上最著名的迈克尔逊-莫雷实验,假设这种以太是真实存在的,地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,那么地球就要接受每秒30公里的“以太风”吹来,因为光是通过以太来传播的,所以迈克尔逊和莫雷想要证明以太存在最简单的方法就是测量顺以太风的光的速度与逆以太风的光的速度,然后比较一下两者的差值,如果两者数值不同,那么就证明了以太是真实存在的,但这种实验方法有一个难点,那就是在1887年的技术条件下,想要测量两束光的差值,其实验精确度就要精准到万分之一才可以。
利用双缝实验原理去验证以太是否存在
将实验的精准度降到万分之一,在1887年来说实在是太难了,不过迈克尔逊和莫雷是很聪明的,测量光速是件很精准却麻烦的事,迈克尔逊和莫雷想要利用一些其他手段、避过测量光速的环节去证明以太的存在,这个其他手段就是历史上十分著名的杨氏双缝实验:将一束光照到两根距离很近的缝隙上,光在被分为两束光后会跟自己产生干涉行为,并且在后面的投影板上出现明暗相间的干涉图案,这证明光是具有波动性的。
那么如果在进行双缝实验的时候,将这个仪器转动起来,那么这两束光走的就是不同的路线,那么由于以太风的影响,这两束光的速度就会因为以太的影响而发生改变,那么投影板所呈现的干涉条纹就会与正常的干涉条纹不同,如果干涉条纹会随着两束光不同速度的原因而发生移动,这也就证明了以太的风向会影响光的速度,即以太是真实存在的。
不错,迈克尔逊和莫雷的这个实验设计实在是太完美了,后来两个人还设计了消除地面震动的仪器用来消除震动干扰因素,看起来一切都十分顺利,我们似乎可以等待着实验结果的出现来验证牛顿的伟大,不过迈克尔逊和莫雷如意算盘打空了。
干涉条纹没有变化,以太论被推翻
实验的结果想必大家都能猜的到,干涉仪器没有出现过任何的移动,实验仅仅进行了四天就停止了,因为那仿佛被定格的干涉图案证明这个实验继续进行下去已经没有任何意义,整个物理学家一片哗然,要么就是迈克尔逊和莫雷的这个实验出现了问题,要么就是以太理论本身就是错的,虽然迈克尔逊和莫雷本身并不承认以太论是错的,而且一些物理学家为此又提出了很多种解释试图挽救摇摇欲坠的经典力学,但直观告诉我们,牛顿的经典力学一定存在的某些缺陷,在19世纪末的落日中,一些物理学界的革命即将爆发。
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