迈克尔逊—莫雷实验

“以太”这个“妖精”大概是物理学史上最令物理学家头疼的东西了。从十七世纪到本世纪初，几乎所有杰出的物理学家都被它弄得神魂颠倒，直到1887年迈克尔逊和莫雷的成功实验，才给了这个“妖精”一张死亡判决书。迈克尔逊于1852年生于德国，四岁随父移居美国。1880年到1882年间，迈克尔逊曾先后到柏林大学、海德堡大学、法兰西学院和巴黎工学院进行研究。在亥姆霍兹实验室，研制成著名的“迈克尔逊干涉仪”，并于1881年4月在波茨坦天体物理观象台的地下室里进行了以太漂移的第一次观测。
     下图是迈克尔逊干涉仪的原理图。从光源s发出的光，到达半镀银镜M后分成两束相干光，透过M的光束被M1反射回到M；被M反射的那束光被M₂反射后也达到M，两速光在O处产生干涉条纹。如果地球相对以太的运动速为V，如图所示，根据经典速度合成公式，则光束在M到M1之间的往返时间为： 在1881年的实验里，l＝1.2米，? ＝6×10^-7米，v＝30公里/秒，则δ＝0.04。因此他应该观测到有0.04根条纹的移动。当然实验是相当困难的，其一是转动仪器时难免不产生畸变，其二是仪器对振动极度敏感，以致在市区做实验，只能在清晨两点那一小段时间才能看到干涉条纹。克服第一个困难是把仪器置于浸在水银中的大石块上，而在地下室作实验也就克服了第二个困难。但是，即使是在这样高的精度下，他也没有看到任何条纹移动。于是他大胆地断言：“必然的结论是静止以太的假说是错误的，这一结论与光行差的说明是直接矛盾的。”但是，物理学家都不相信他的实验是决定性的，并指出了他对事实的错误解释。
     迈克尔逊面对众人的反对，也就没有继续做这个实验的念头了。但是，瑞利和开尔文勋爵认识到此实验的重要性，一再鼓励和催促他进一步做实验。1887年3月6日，迈克尔逊给瑞利回信说：“你的信再次点燃了我的热情，我决定立即开始工作。”1887年7月，他和莫雷用四天再次作了干涉实验，尽管精度比上一次高得多，但得到的条纹移动数仍然是零！他们对这一实验结果感到十分失望，原打算在不同季节作实验的想法也就取消了。当然，后来人们继续多次改进实验，但得到的仍然是零结果。迈克尔逊原本是想测出“以太风”的速度，然而他测到的零结果，却为当时被认为是物理学基石的以太说带来了危机，几乎首所有杰出的物理学家都在设法解释迈克尔逊——莫雷实验，它被认为是十九世纪末物理学晴朗的天空中出现的两朵“乌云”之一。
     当然，人们当时并不认为它否定了以太的存在，只有到了相对论广为科学界接受的时候，迈克尔逊——莫雷实验才被看成是“科学史上最伟大的否定性实验。”迈克尔逊的实验的意义不仅是否定以太的存在，而且他因这个实验创制一个精度达到四亿分之一的测长仪器。他由于在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的精确量度”的研究工作，而荣获1907年的诺贝尔物理学奖。