物理问题

1887年，人们认为宇宙中弥漫着一种叫以太的物质，为了知道光速到底是对哪一个参考系而言的
人们做了一个实验，即迈克尔逊-莫雷实验，实验发现，无论参考系如何运动，光速总是c,于是爱因斯坦猜想不存在以太，光速对于任何参考系都是一样的，并以此做为相对论的第一个基本假设

迈克尔逊-莫雷实验
一种用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光在同一方向上光速差值的实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此确定了光速不变原理。根据伽利略变换，光速应该与其所在的参照系有关，这一结果表明伽利略变换并不适用于高速运动的光子，洛伦兹由此提出洛伦兹变换来解决这一问题。虽然爱因斯坦只是将洛伦兹变换引入狭义相对论，但是他系统性地提出了一个全新的物理理论，并划时代地提出时间相对性的概念，因此人们最终将这一功绩归功于爱因斯坦。但是狭义相对论并不完整，直到广义相对论的出现才完美地解释了孪生子佯谬。既然存在以太，则当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。1887年，阿尔贝特·麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。如果以太存在，且光速在以太中的传播服从伽利略速度叠加原理：假设以太相对于太阳静止，实验坐标系相对于以太以公转轨道速度u沿光线2的方向传播，
由于光在不同的方向相对地球的速度不同，达到眼睛的光程差不同，产生干涉条纹。从镜子M反射，光线1的传播方向在MA方向上，光的绝对传播速度为c，地球相对以太的速度为υ，光线1完成来回路程的时间为2d/C，光线2在到达M2和从M2返回的传播速度为不同的，分别为C+υ和C－υ，完成往返路程所需时间为：d/(C+u)+d/(C-u).光线2和光线1到达眼睛的光程差为：c[d/(C+u)+d/(C-u)-2d/C]=2du^2/(C^2-u^2)干涉仪整体可以旋转，旋转的过程中，以太速度方向与实验参考系中光线2的夹角改变，从而使得速度分量u改变，旋转90°时，光线1和2交换了状态，光程差可以增加一倍。：ΔL=4du^2/(C^2-u^2)≈4du^2/C^2。移动的条纹数为ΔL/λ。实验中用钠光源，λ=5.9×10^－7m；地球的公转轨道运动速率为：υ≈10^－4C；干涉仪静止参考系下的光程2d=11m，应该移动的条纹为：ΔN=2×11×(10^－4)/λ=0.37干涉仪的灵敏度，可观察到的条纹数为0.01条。但实验结果是几乎没有条纹移动。因此以太存在且光速满足伽利略速度叠加的前提是错误的。结论是要么是以太不存在，光速相对于任何参考系的速度都一样，因此旋转迈克尔逊干涉仪时光线1和2不存在时间差。要么是以太存在但是光速不满足伽利略速度叠加。在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克·洛伦兹，他是依据以太存在，但是伽利略速度叠加原理需要修改，从而引进了洛伦兹变变换。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特·爱因斯坦，在1905年发表的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念就是多余的。几个星期之后，一位法国最重要的数学家亨利·彭加勒也提出类似的观点。爱因斯坦的论证比彭加勒的论证更接近物理，因为后者将此考虑为数学问题。通常这个新理论是归功于爱因斯坦，但彭加勒的确在其中起了重要的作用。【猜想】该实验让世界上的人们抛弃了以太的存在，在物理学发展史上是重大转折点。------但是有网友猜想该实验结果也许是由物体在以太中运动变形引起的，观测臂是由原子分子组成，也许由于某种原因，观测臂内部的原子不再是维持原来说的形状。观测臂的整体长度也会产生相等于光行程差的相应变化。所以永远也别想看到条纹移动。相对论说是空间扭曲，是等效的数学方法，也许不是真实情况。也有可能真空是一种刚性粒子组成的高弹性流体，不同于空气、液体。液体，空气中横波无法传递，但电磁波是横波。原子科学上的发展也许可以用来解释这个实验。不过，这些都只是猜想，从未有实验支持它。目前，爱因斯坦的相对论还是最能解释各种实验现象（原子弹、miu子、加速器、天文观测……），也最简洁（只有两条看起来很自然的公理）的理论。

光速的测定
光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义。它不仅推动了光学实验的反站，也打破了光速无限的传统观念；在物理学理论研究的发展里程中，它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据，而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发展。 在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间，是在瞬时进行的。但伽利略认为光速虽然传播得很快，但却是可以测定的。1607年，伽利略进行了最早的测量光速的实验。伽利略的方法是，让两个人分别站在相距一英里的两座山上，每个人拿一个灯，第一个人先举起灯，当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯，从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光传播两英里的时间。但由于光速传播的速度实在是太快了，这种方法根本行不通。但伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕。 1676年，丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法。他在观测木星的卫星的隐食周期时发现：在一年的不同时期，它们的周期有所不同；在地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相差十四五天。他认为这种现象是由于光具有速度造成的，而且他还推断出光跨越地球轨道所需要的时间是22分钟。1676年9月，罗麦预言预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟。巴黎天文台的科学家们怀着将信将疑的态度，观测并最终证实了罗麦的预言。 罗麦的理论没有马上被法国科学院接受，但得到了著名科学家惠更斯的赞同。惠更斯根据他提出的数据和地球的半径第一次计算出了光的传播速度：214000千米/秒。虽然这个数值与目前测得的最精确的数据相差甚远，但他启发了惠更斯对波动说的研究；更重要的是这个结果的错误不在于方法的错误，只是源于罗麦对光跨越地球的时间的错误推测，现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒，很接近于现代实验室所测定的精确数值。 1725年，英国天文学家布莱德雷发现了恒星的"光行差"现象，以意外的方式证实了罗麦的理论。刚开始时，他无法解释这一现象，直到1728年，他在坐船时受到风向与船航向的相对关系的启发，认识到光的传播速度与地球公转共同引起了"光行差"的现象。他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒。这个数值较罗麦法测定的要精确一些。菜德雷测定值证明了罗麦有关光速有限性的说法。 光速的测定，成了十七世纪以来所展开的关于光的本性的争论的重要依据。但是，由于受当时实验环境的局限，科学家们只能以天文方法测定光在真空中的传播速度，还不能解决光受传播介质影响的问题，所以关于这一问题的争论始终悬而未决。 十八世纪，科学界是沉闷的，光学的发展几乎处于停滞的状态。继布莱德雷之后，经过一个多世纪的酝酿，到了十九世纪中期，才出现了新的科学家和新的方法来测量光速。 1849年，法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速。他的方法原理与伽利略的相类似。他将一个点光源放在透镜的焦点处，在透镜与光源之间放一个齿轮，在透镜的另一测较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜，平面镜位于第二个透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点，在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿，当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光，当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间，根据齿轮的转速，这个时间不难求出。通过这种方法，菲索测得的光速是315000千米/秒。由于齿轮有一定的宽度，用这种方法很难精确的测出光速。 1850年，法国物理学家傅科改进了菲索的方法，他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上，同样用平面镜的转速可以求出时间。傅科用这种方法测出的光速是298000 千米/秒。另外傅科还测出了光在水中的传播速度，通过与光在空气中传播速度的比较，他测出了光由空气中射入水中的折射率。这个实验在微粒说已被波动说推翻之后，又一次对微粒说做出了判决，给光的微粒理论带了最后的冲击。 1928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1951年，贝奇斯传德用这种方法测出的光速是299793千米/秒。 光波是电磁波谱中的一小部分，当代人们对电磁波谱中的每一种电磁波都进行了精密的测量。1950年，艾森提出了用空腔共振法来测量光速。这种方法的原理是，微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振。根据空腔的长度可以求出共振腔的波长，在把共振腔的波长换算成光在真空中的波长，由波长和频率可计算出光速。 当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。1958年，弗鲁姆求出光速的精确值：299792.5±0.1千米/秒。1972年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.4±0.1米/秒。 光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义。虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间，但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展，尤其是在微粒说与波动说的争论中，光速的测定曾给这一场著名的科学争辩提供了非常重要的依据。

参考http://219.239.238.42/lb5000/topic.cgi?forum=11&topic=3887