本頁使用了標題或全文手工轉換
Padlock-silver.svg

邁克生-莫雷實驗

維基百科,自由的百科全書
跳到: 導覽搜尋
邁克生與莫雷的干涉儀設置,其安裝在一塊漂浮在圓形水銀槽上方。

邁克生-莫雷實驗是為了觀測「以太」是否存在而做的一個實驗,是在1887年由阿爾伯特·邁克生愛德華·莫雷合作,在美國克利夫蘭進行的。

實驗原理

實驗裝置

當時認為的傳播介質是「以太」。由此產生了一個新的問題:地球以每秒30公里的速度太陽運動,就必須會遇到每秒30公里的「以太風」迎面吹來,同時,它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生,引起人們去探討「以太風」存在與否。邁克生-莫雷實驗就是在這個基礎上進行的。

當「以太風」的速度為0時,兩束光應同時到達,因而相位相同;如「以太風」速度不為零,即裝置相對以太運動,則兩列光波相位不同。

假設裝置在以太中向右以速度運動,且從部分鍍銀的玻璃片到兩面鏡子的距離為,那麼向右的那一束光在向右的過程中相對裝置速度為,花費的時間,返回時速度為,時間。所以總的時間是

而對於向上的那一束光,設它到達鏡子所需的時間為,在這段時間裏鏡子向右移動了,所以光走過的路程是一個直角三角形的斜邊,於是有

由此可得

而返回時間與此相同,所以總時間

所以兩束光的到達時間是不同的,根據這個實驗應該能測量出地球通過以太的速度。

紅色激光造成的邁克生干涉環

空氣介質的影響

由於實驗是在空氣介質中進行,此時光的介質相對於實驗裝置的速度為0, 所以在兩個路徑上的來回的時間均為2l/c。 因此,在裝置旋轉90°後,沒有干涉條紋的移動。 [1]

實驗結果

莫雷不確信他自己的結論,繼續與達通·米勒做更多的實驗。米勒製作了更大的實驗設備,最大的安裝於威爾遜山天文台的臂長32米(有效長度)的儀器。為了避免實體牆可能造成的對以太風的阻擋,他使用了帆布為主體的流動牆。他每次旋轉設備都會觀測到不同的小偏移,不論是恆星日還是年。他的測量值僅達到~10 km/s,而不是從地球軌道運動所期待的~30 km/s。他仍然不確信這是由於局部拖曳造成的,他沒有嘗試進行詳細的解釋。

甘迺迪後來在威爾遜山上作了實驗,米勒發現1/10的漂移,並且不受季節影響。米勒的發現當時認為非常重要,並於1928年在一份會議報告上與邁克生、勞侖茲等人討論。普遍認為需要更多的實驗來檢驗米勒的結果。勞侖茲認可這個結論,造成漂移的原因不符合他的以太說或者愛因斯坦的狹義相對論。愛因斯坦沒有出席會議,但是感覺這個實驗結果恐怕是實驗誤差。後來的實驗沒能重新獲得米勒的結果,現代實驗的精度推翻了此實驗結論。

姓名 地點 年份 臂長 (米) 預計條紋偏移 實測條紋偏移 比例 V以太的上限 實驗精度 Null result
邁克生[2] 波茨坦 1881 1.2 0.04 ≤ 0.02 2 ∼ 20 km/s 0.02 yes
邁克生和莫雷[3] 克利夫蘭 1887 11.0 0.4 < 0.02
or ≤ 0.01
40 ∼ 4–8 km/s 0.01 yes
莫雷和米勒[4][5] 克利夫蘭 1902–1904 32.2 1.13 ≤ 0.015 80 ∼ 3.5 km/s 0.015 yes
米勒[6] 威爾遜山英語Mount Wilson (California) 1921 32.0 1.12 ≤ 0.08 15 ∼ 8–10 km/s unclear unclear
米勒[6] 克利夫蘭 1923–1924 32.0 1.12 ≤ 0.03 40 ∼ 5 km/s 0.03 yes
米勒 (陽光)[6] 克利夫蘭 1924 32.0 1.12 ≤ 0.014 80 ∼ 3 km/s 0.014 yes
托馬希克英語Rudolf Tomaschek 星光[7] 海德堡 1924 8.6 0.3 ≤ 0.02 15 ∼ 7 km/s 0.02 yes
米勒[6][A 1] 威爾遜山 1925–1926 32.0 1.12 ≤ 0.088 13 ∼ 8–10 km/s unclear unclear
甘迺迪[8] 帕薩迪納/威爾遜山 1926 2.0 0.07 ≤ 0.002 35 ∼ 5 km/s 0.002 yes
伊林沃思[9] 帕薩迪納 1927 2.0 0.07 ≤ 0.0004 175 ∼ 2 km/s 0.0004 yes
皮卡德和斯塔爾 [10] 氣球 1926 2.8 0.13 ≤ 0.006 20 ∼ 7 km/s 0.006 yes
皮卡德和斯塔爾 [11] 布魯塞爾 1927 2.8 0.13 ≤ 0.0002 185 ∼ 2.5 km/s 0.0007 yes
皮卡德和斯塔爾 [12] 瑞吉峰 1927 2.8 0.13 ≤ 0.0003 185 ∼ 2.5 km/s 0.0007 yes
邁克生等[13] 威爾遜山 1929 25.9 0.9 ≤ 0.01 90 ∼ 3 km/s 0.01 yes
約斯英語Georg Joos[14] 耶拿 1930 21.0 0.75 ≤ 0.002 375 ∼ 1.5 km/s 0.002 yes

近代實驗

近代版的邁克生-莫雷實驗變得司空見慣。激光邁射通過讓光線在充滿高能原子的精心調整的空間內來回反射,以放大光線。這樣的有效長度可達千米。還有一個好處,同一光源在不同光線角度產生同樣的相位,給干涉計增加了額外精確度。

第一個這樣的實驗是由查爾斯·H·湯斯(Charles H. Townes)做的,第一個邁射製作者之一。他們1958年的實驗把漂移的上限,包括可能的實驗誤差,降低到僅僅30m/s。在1974年通過三角形內修剪工具精確的激光重複實驗把這個值降低到0.025m/s,並且在一個光臂上放上玻璃來測試拖曳效果。在1979年Brillet-Hall實驗把人以方向的上限降低到30m/s,但是雙向因素降低到0.000001 m/s (i.e.,靜止或者夾帶以太)。Hils和Hall在經過一年的重複實驗之後,於1990年公佈,各向異性的極限降低到2×10-13

實驗結果證明,不論地球運動的方向同光的射向一致或相反,測出的光速都相同,在地球同設想的「以太」之間沒有相對運動。當時邁克生因此認為這個結果表明以太是隨着地球運動的。

實驗者 年份 光速的最大各向異性
布里耶與霍爾l[15] 1979
沃爾夫等 [16] 2003
繆勒等[17] 2003
沃爾夫等[18] 2004
沃爾夫等[19] 2004
安東尼尼等[20] 2005
斯坦尼克斯等[21] 2005
赫爾曼等[22] 2005
斯坦尼克斯等[23] 2006
繆勒等[24] 2007
艾澤勒等[25] 2009
赫爾曼等[26] 2009

對實驗結果的解釋

喬治·斐茲傑惹(George FitzGerald)在1892年對邁克生-莫雷實驗提出了一種解釋。他指出如果物質是由帶電荷的粒子組成,一根相對於以太靜止的量杆的長度,將完全由量杆粒子間取得的靜電平衡決定,而量杆相對於以太在運動時,量杆就會縮短,因為組成量杆的帶電粒子將會產生磁場,從而改變這些粒子之間的間隔平衡。這一來,邁克生-莫雷實驗所使用的儀器,當它指向地球運動的方向時就會縮短,而縮短的程度正好抵消光速的減慢。

有些人曾經試行測量喬治·斐茲傑惹的縮短值,但都沒有成功。這類實驗表明喬治·斐茲傑惹的縮短,在一個運動體系內是不能被處在這個運動體系內的觀察者測量到的,所以他們無法判斷他們體系內的絕對速度,光學的定律和各種電磁現象是不受絕對速度的影響的。再者,動系中的短縮,乃是所有物體皆短縮,而動系中的人,是無法測量到自己短縮值的。

1904年,荷蘭物理學家勞侖茲提出了著名的勞侖茲變換,用於解釋邁克生-莫雷實驗的結果。他提出運動物體的長度會收縮,並且收縮只發生運動方向上。如果物體靜止時的長度為,當它以速度以平行於長度的方向運動時,長度收縮為

引入這條規律後,成功地解釋了實驗結果。(參見:勞侖茲變換


1905年,愛因斯坦在拋棄以太、以光速不變原理狹義相對性原理為基本假設的基礎上建立了狹義相對論。狹義相對論認為空間和時間並不相互獨立,而是一個統一的四維時空整體,並不存在絕對的空間和時間。在狹義相對論中,整個時空仍然是平直的、各向同性的和各點同性的。結合狹義相對性原理和上述時空的性質,也可以推導出勞侖茲變換。

里茨在1908年設想光速是依賴於光源的速度的,企圖以此解釋邁克生-莫雷實驗。但是德·希特於1931年在萊頓大學指出,如果是這樣的話,那麼一對相互環繞運動的星體將會出現表觀上的異常運動,而這種現象並沒有觀察到。由此也證明了愛因斯坦提出的光速和不受光源速度和觀察者的影響是正確的,而且既然沒有一種靜止的以太傳播光波振動,牛頓關於光速可以增加的看法就必須拋棄。

有人認為,愛因斯坦在提出狹義相對論的過程中,曾經受到過邁克生-莫雷實驗結果的影響。John Stachel在《愛因斯坦和以太漂移實驗》一文中指出,有間接的有力證據表明,愛因斯坦在1889年一定知道邁克生-莫雷實驗,並從1889~1901年間,持續感興趣於設計光學實驗,以檢查地球穿行於以太的假定運動。

愛因斯坦在1922年,在《我是怎樣創造了相對論》中說道:「那時我想用某種方法演示地球相對以太的運動……,在給自己提出這一問題時,我沒有懷疑過以太的存在和地球的運動。於是,我預料如果把光源發出的光線用鏡子反射,則當它的傳播方向是平行或反平行於地球的運動方向時,應該具有不同的能量。所以我提出使用兩個熱電偶,利用測量它們所生熱量的差值,來證實這一點。」

對實驗結果的再驗證

1893年洛奇倫敦發現,光通過兩塊快速轉動的巨大鋼盤時,速度並不改變,表明鋼盤並不把以太帶着轉。對恆星光行差的觀測也顯示以太並不隨着地球轉動。

人們在不同地點、不同時間多次重複了邁克生-莫雷實驗,並且應用各種手段對實驗結果進行驗證,精度不斷提高[27]。除光學方法外,還有使用其他技術進行的類似實驗[28]。如1958年利用微波激射所做的實驗得到地球相對以太的速度上限是3×10-2 km/s[29],1970年利用梅斯堡效應所做的實驗得到此速度的上限只有5×10-5 km/s[30]。綜合各種實驗結果,人們基本可以判定地球不存在相對以太的運動。

參閱

參考文獻

關於實驗

  1. ^ The model of wave propagation in classical physics, Luo Siwei, Progress in Electromagnetics Research Symposium (Moscow) 2012 Aug。
  2. ^ Michelson, Albert Abraham. The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. American Journal of Science. 1881, 22: 120–129. 
  3. ^ Michelson, Albert Abraham & Morley, Edward Williams. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. American Journal of Science. 1887, 34: 333–345. 
  4. ^ Edward W. Morley and Dayton C. Miller. Extract from a Letter dated Cleveland, Ohio, August 5th, 1904, to Lord Kelvin from Profs. Edward W. Morley and Dayton C. Miller. Philosophical Magazine. 6. 1904, 8 (48): 753–754. 
  5. ^ Edward W. Morley and Dayton C. Miller. Report of an experiment to detect the Fitzgerald-Lorentz Effect. Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 1905, XLI (12): 321–8. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 Miller, Dayton C. Ether-Drift Experiments at Mount Wilson. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1925, 11 (6): 306–314. Bibcode:1925PNAS...11..306M. doi:10.1073/pnas.11.6.306. 
  7. ^ Tomaschek, R. Über das Verhalten des Lichtes außerirdischer Lichtquellen. Annalen der Physik. 1924, 378 (1): 105–126. Bibcode:1924AnP...378..105T. doi:10.1002/andp.19243780107. 
  8. ^ Kennedy, Roy J. A Refinement of the Michelson-Morley Experiment. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1926, 12 (11): 621–629. Bibcode:1926PNAS...12..621K. doi:10.1073/pnas.12.11.621. 
  9. ^ Illingworth, K. K. A Repetition of the Michelson-Morley Experiment Using Kennedy's Refinement. Physical Review. 1927, 30 (5): 692–696. Bibcode:1927PhRv...30..692I. doi:10.1103/PhysRev.30.692. 
  10. ^ Piccard, A.; Stahel, E. L'expérience de Michelson, réalisée en ballon libre. Comptes Rendus. 1926, 183 (7): 420–421. 
  11. ^ Piccard, A.; Stahel, E. Nouveaux résultats obtenus par l'expérience de Michelson. Comptes Rendus. 1927, 184: 152. 
  12. ^ Piccard, A.; Stahel, E. L'absence du vent d'éther au Rigi. Comptes Rendus. 1927, 184: 1198–1200. 
  13. ^ Michelson, A. A.; Pease, F. G.; Pearson, F.; Pease; Pearson. Results of repetition of the Michelson-Morley experiment. Journal of the Optical Society of America. 1929, 18 (3): 181. Bibcode:1929JOSA...18..181M. 
  14. ^ Joos, G. Die Jenaer Wiederholung des Michelsonversuchs. Annalen der Physik. 1930, 399 (4): 385–407. Bibcode:1930AnP...399..385J. doi:10.1002/andp.19303990402. 
  15. ^ Brillet, A.; Hall, J. L. Improved laser test of the isotropy of space. Phys. Rev. Lett. 1979, 42 (9): 549–552. Bibcode:1979PhRvL..42..549B. doi:10.1103/PhysRevLett.42.549. 
  16. ^ Wolf, P.; Bize, S.; Clairon, A.; Luiten, A. N.; Santarelli, G; Tobar, M. E. New Limit on Signals of Lorentz Violation in Electrodynamics. Phys. Rev. Lett. 2003, 90 (6): 060402. Bibcode:2003PhRvL..90f0402W. PMID 12633279. arXiv:gr-qc/0210049. doi:10.1103/PhysRevLett.90.060402. 
  17. ^ Müller, H.; Herrmann, S.; Braxmaier, C.; Schiller, S.; Peters, A. Modern Michelson-Morley experiment using cryogenic optical resonators. Phys. Rev. Lett. 2003, 91 (2): 020401. Bibcode:2003PhRvL..91b0401M. PMID 12906465. arXiv:physics/0305117. doi:10.1103/PhysRevLett.91.020401. 
  18. ^ Wolf, P.; Tobar, M. E.; Bize, S.; Clairon, A.; Luiten, A. N.; Santarelli, G. Whispering Gallery Resonators and Tests of Lorentz Invariance. General Relativity and Gravitation. 2004, 36 (10): 2351–2372. Bibcode:2004GReGr..36.2351W. arXiv:gr-qc/0401017. doi:10.1023/B:GERG.0000046188.87741.51. 
  19. ^ Wolf, P.; Bize, S.; Clairon, A.; Santarelli, G.; Tobar, M. E.; Luiten, A. N. Improved test of Lorentz invariance in electrodynamics. Physical Review D. 2004, 70 (5): 051902. Bibcode:2004PhRvD..70e1902W. arXiv:hep-ph/0407232. doi:10.1103/PhysRevD.70.051902. 
  20. ^ Antonini, P.; Okhapkin, M.; Göklü, E.; Schiller, S. Test of constancy of speed of light with rotating cryogenic optical resonators. Physical Review A. 2005, 71 (5): 050101. Bibcode:2005PhRvA..71e0101A. arXiv:gr-qc/0504109. doi:10.1103/PhysRevA.71.050101. 
  21. ^ Stanwix, P. L.; Tobar, M. E.; Wolf, P.; Susli, M.; Locke, C. R.; Ivanov, E. N.; Winterflood, J.; van Kann, F. Test of Lorentz Invariance in Electrodynamics Using Rotating Cryogenic Sapphire Microwave Oscillators. Physical Review Letters. 2005, 95 (4): 040404. Bibcode:2005PhRvL..95d0404S. PMID 16090785. arXiv:hep-ph/0506074. doi:10.1103/PhysRevLett.95.040404. 
  22. ^ Herrmann, S.; Senger, A.; Kovalchuk, E.; Müller, H.; Peters, A. Test of the Isotropy of the Speed of Light Using a Continuously Rotating Optical Resonator. Phys. Rev. Lett. 2005, 95 (15): 150401. Bibcode:2005PhRvL..95o0401H. PMID 16241700. arXiv:physics/0508097. doi:10.1103/PhysRevLett.95.150401. 
  23. ^ Stanwix, P. L.; Tobar, M. E.; Wolf, P.; Locke, C. R.; Ivanov, E. N. Improved test of Lorentz invariance in electrodynamics using rotating cryogenic sapphire oscillators. Physical Review D. 2006, 74 (8): 081101. Bibcode:2006PhRvD..74h1101S. arXiv:gr-qc/0609072. doi:10.1103/PhysRevD.74.081101. 
  24. ^ Müller, H.; Stanwix, Paul L.; Tobar, M. E.; Ivanov, E.; Wolf, P.; Herrmann, S.; Senger, A.; Kovalchuk, E.; Peters, A. Relativity tests by complementary rotating Michelson-Morley experiments. Phys. Rev. Lett. 2007, 99 (5): 050401. Bibcode:2007PhRvL..99e0401M. PMID 17930733. arXiv:0706.2031. doi:10.1103/PhysRevLett.99.050401. 
  25. ^ Eisele, Ch.; Nevsky, A. Yu.; Schiller, S. Laboratory Test of the Isotropy of Light Propagation at the 10-17 level. Physical Review Letters. 2009, 103 (9): 090401. Bibcode:2009PhRvL.103i0401E. PMID 19792767. doi:10.1103/PhysRevLett.103.090401. 
  26. ^ Herrmann, S.; Senger, A.; Möhle, K.; Nagel, M.; Kovalchuk, E. V.; Peters, A. Rotating optical cavity experiment testing Lorentz invariance at the 10-17 level. Physical Review D. 2009, 80 (100): 105011. Bibcode:2009PhRvD..80j5011H. arXiv:1002.1284. doi:10.1103/PhysRevD.80.105011. 
  27. ^ Shankland, R.S., McCuskey, S.W., Laone, F.C., Kuerti,G., Review of Modern Physics, 27(1955)167.
  28. ^ 郭碩鴻,電動力學(第二版),高等教育出版社, 1997, 232頁. ISBN 7-04-005550-3
  29. ^ Cedarholm, J.P., Bland, G.F., Havens, B.L., Townes, C.H., Review of Modern Physics, 1(1958)342.
  30. ^ Isaak, G.R., Physics Bulletin, 255(1970).

引文注釋


其他書籍

  1. ^ Miller, Dayton C. The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth. Reviews of Modern Physics. 1933, 5 (3): 203–242. Bibcode:1933RvMP....5..203M. doi:10.1103/RevModPhys.5.203.