狭义相对论产生的实验基础和历史条件

42 狭 义 相 对 论 产 生 的 实 验 基 础 和 历 史 条 件 第 4章 相 对 论 19世 纪 中 期 麦 克 斯 韦 建 立 的 电 磁 场 理 论 指 出 光是 电 磁 波 ， 并 提 出 光 是 在 以 太 中 传 播 的 假 说 。 以 太 假 说 的 主 要 内 容 是 ： 以 太 是 传 播 包 括 光 波在 内 的 电 磁 波 的 弹 性 媒 质 ， 它 充 満 整 个 宇 宙 空 间 。以 太 中 带 电 粒 子 振 动 会 引 起 以 太 变 形 ， 这 种 变 形 以弹 性 波 的 形 式 传 播 ， 这 就 是 电 磁 波 。 并 且 进 一 步 认 为 以 太 就 是 人 们 一 直 在 寻 找 的 绝 对静 止 参 考 系 ， 只 有 在 这 个 参 考 系 中 光 速 才 是 与 方 向无 关 的 恒 量 。1、 以 太 理 论 的 提 出 42 狭 义 相 对 论 产 生 的 实 验 基 础 和 历 史 条 件 第 4章 相 对 论 2、 光 速 的 困 惑 狭 义 相 对 论 建 立 以 前 ， 人 们 认 为 任 何 速 度 的 叠 加 都 满 足伽 里 略 变 换 。 但 在 光 速 领 域 里 却 碰 到 了 困 难 。 c u v c u vu u 如 前 所 说 ， 以 太 就 是 绝 对 空 间 。 以 太 中 电 磁 波 沿 各 方 向 传播 的 速 度 都 等 于 恒 量 c。 但 在 相 对 以 太 运 动 的 惯 性 系 中 ， 按 伽利 略 变 换 ， 电 磁 波 沿 各 方 向 传 播 的 速 度 并 不 等 于 恒 量 c， 如 下图 中 相 对 于 光 源 运 动 的 小 车 上 所 测 得 的 光 速 。 42 狭 义 相 对 论 产 生 的 实 验 基 础 和 历 史 条 件 第 4章 相 对 论 3、 迈 克 耳 孙 莫 雷 的 实 验 分 析（ 1） 使 干 涉 仪 的 臂 沿 着 地 球 轨 道 运 动 速度 u方 向 。 地 球 相 对 以 太速 度 为 u， 从 G1到 M1光束 的 速 度 为 v=c-u； 从 M1到 G1光 束 的 速 度 为 v=c+u。故 光 从 G1点 经 M1返 回 的时 间 为 t 1 面光源 M1M1/2 12/ 1/ uv=c-uv=c+u M2G 2G 11 1 11 2 22l l l ct c u c u c u 42 狭 义 相 对 论 产 生 的 实 验 基 础 和 历 史 条 件 第 4章 相 对 论 (2) 设 光 束 从 G1经 M2反 射回 G1共 需 时 间 为 t2 22 22 2 uc lt 22 ucV 光 相 对 地 面的 速 度 为 V,根 据 经 典 相对 速 度 公 式 uV c uv=c-u M2G12l v=c+uG2 1l 42 狭 义 相 对 论 产 生 的 实 验 基 础 和 历 史 条 件 第 4章 相 对 论 1 21 2 2 22 1 ( ) 1 ( )l lt t t uc uc c 转 动 90， 时 间 差 为 1 21 2 2 22 1 ( )1 ( )l lt t t uc u cc 1 2 2 22( ) 1 1 1 ( ) 1 ( )l lt t t uc uc c 干 涉 仪 转 动 前 后 ， 光 通 过 两 臂 时 间 差 的 改 变 量 为 ： 42 狭 义 相 对 论 产 生 的 实 验 基 础 和 历 史 条 件 第 4章 相 对 论 考 虑 u/c 是 小 量 ， 利 用 近 似 公 式21 1 , ( )1 uc 1 11 21 21 2( ) ( )l l ut c c 应 有 干 涉 条 纹 移 动 的 数 目 21 2( ) ( )l lc t uN c 1 2l l l 若 取 ， 则 22 ( )l uN c 42 狭 义 相 对 论 产 生 的 实 验 基 础 和 历 史 条 件 第 4章 相 对 论 有 一 部 分 人 不 相 信 实 验 的 真 实 性 ， 继 续 改 进 实 验设 备 做 实 验 。 而 且 春 天 做 了 夏 天 做 ， 秋 天 做 了 冬 天做 ； 平 地 做 了 高 山 做 实 验 精 度 越 来 越 高 ， 能 做 实验 的 人 越 来 越 多 ， 乃 至 几 乎 每 个 大 学 都 能 做 ， 但 结果 仍 然 一 样 ， 地 球 上 的 光 速 与 地 球 速 度 无 关 。 洛 仑 兹 等 人 提 出 ， 可 能 是 地 球 拖 着 “ 以 太 ” 一 道运 动 ， 地 球 与 以 太 之 间 没 有 相 对 运 动 了 ， 当 然 测 不出 速 度 的 差 别 ， 但 是 这 一 想 法 又 被 天 文 上 的 “ 光 行差 实 验 ” 所 否 定 。 “ 光 行 差 实 验 ” 否 定 地 球 拖 着“ 以 太 ” 运 动 。 42 狭 义 相 对 论 产 生 的 实 验 基 础 和 历 史 条 件 第 4章 相 对 论 还 有 不 少 解 释 .但 总 有 矛 盾 的 地 方 。 这 样 一 来物 理 学 面 临 着 一 场 危 机 ， 对 于 经 典 物 理 的 大 厦 ， 人 们想 扶 起 东 墙 却 倒 了 西 墙 ， 想 扶 起 西 墙 却 倒 了 东 墙 。 爱 因 斯 坦 则 抛 弃 以 太 （ 即 否 定 绝 对 静 止 参 考 系的 存 在 ） ， 建 立 相 对 论 ， 并 提 出 了 全 新 的 时 、 空 观 。 为 什 么 会 产 生 这 样 的 现 象 呢 ？ 因 为 人 们 受 着 传 统思 想 的 束 缚 ， 仍 抱 着 牛 顿 的 时 空 观 不 放 。 抱 着 伽 利 略坐 标 变 换 不 放 。 在 这 种 情 况 下 就 看 谁 能 冲 破 传 统 思 想的 束 缚 ， 就 能 在 大 量 的 实 验 事 实 面 前 创 建 新 的 理 论 。