《人类科学技术史-327》经典物理学的内在矛盾（下）

经典物理学的内在矛盾（下）

1881年，美国物理学家麦克尔逊用他自己发明的干涉仪进行了第一次实验。麦克尔逊出生于波兰，曾在柏林和波斯坦作过亥姆霍兹的奖学金研究生。1887年他与莫雷合作改进了这个实验，使用他亲自设计的高精度镜式干涉仪，大大提高了实验的精度。单色光源S发出的平行光束射到45°角放置于O处的半镀银分光板上，被分成互相垂直的反射和透射两股光束。透射光沿OA臂方向到达反射镜A后被反射回来；反射光沿OB臂方向到反射镜B后反射回来。这两股光束经O处分光板的透射和反射到达观测屏D处，两条光路上相差的光程由补偿板L补偿。实验时，先让干涉仪的OA臂与地球相对"以太"运动的方向平行，另一臂与之垂直。按经典的理论，光速各向是不等的。地球沿OA臂方向相对"以太"运动，地球上的观测者看来，以太沿AO方向流动，光从O传播到A如逆水行舟，速度应为C-V，即光在静止的以太参考系中的速度减去地球运动的速度；光从A返回O则如顺水行舟，传播速度为C＋V。而沿OB臂传播的光束如横水行舟。由计算可得到，两束光传播的时间差为△T，在观测屏上将会看到两股相干光束的干涉条纹。然后，将整个干涉仪转过90°角使OA臂垂直于地球运动的方向，由计算，可得此种情况下，两股相干光束传播的时间差为另一值△T'。前后两种情况下的时间差的变化量将会引起观测屏上干涉条纹的移动。

麦克尔逊和莫雷当时用纳光作实验，并采用多次反射法增加干涉仪两臂的实验长度达11米。将有关数据代入干涉条纹移动值的计算公式后，求得干涉仪旋转前后，干涉条纹应移动将近半个条纹，也就是说，旋转前的明条纹应基本成暗条纹，而暗条纹变明。但是，麦克尔逊和莫雷的实验并未观察到预期的干涉条纹的移动。他们在一天中的不同时间，一年中的不同季节并在地球上的不同地点多次重复了这一实验，而且实验本身的精度无可挑剔，但是，结果都是相同的。许多人重复了这个实验，也都观测不到预期的条纹移动。这个实验的结果被称为"零结果"。

实验的"零结果"振动了物理学界。人们提出了各种各样的假说试图解释这一"出人意料"的结果。会不会是地球正好静止于以太的海洋中，而使地球与以太之间的相对运动速度始终为零呢？如果接受这种设想，就意味着地球在整个宇宙中处于一种特别优越的地位，但是，这种地位从哥白尼时代便被否定了。会不会是地球拖动着"以太"一起运动，所以才没有"以太风"呢？但菲索实验等其他实验事实又否定了这一推断。

还有人提出光速与光源运动有关的理论，认为，运动光源发出的光的速度等于光相对于光源的速度与光源运动速度的矢量和，而光相对任何光源的速度总是C。这种理论尚可以解释用地面上的光源所作的麦克尔逊-莫雷实验，但后来用日光为光源进行麦克尔逊-莫雷实验，得出的"零结果"，也否定了这一理论。其他实验也证明了，光速与光源的运动速度无关。

斐兹杰勒(1851-1901)于1889年，荷兰物理学家洛伦兹(1853-1928)于1892年先后提出"长度收缩"的假说，认为以速度V相对"以太"快速运动的物体在运动方向上将按照1V2/C2的比例产生一定的机械收缩("洛伦兹-斐兹杰勒收缩")。这种设想可以十分巧妙地调和了静止以太理论和麦克尔逊-莫雷实验之间的矛盾，解释了麦克尔逊-莫雷实验，同时又保留了以太坐标系的特殊优越地位。洛伦兹在麦克斯韦电磁理论的发展中曾作过大量杰出的工作，这次提出"长度收缩"假说似乎又解决了电、磁、光载体的一大难题，但他的工作并未到此结束。他认为，要解决麦克斯韦方程在伽利略变换下不具有协变性的困难，必须寻求一种不同惯性系之间的数学变换。于是，在提出长度收缩因子后，他又进一步区分了对于优越坐标系直接可用的真正的绝对时间和适用于其他坐标系的"地方时间"，把伽利略变换公式改造为变换公式。这就是著名的洛伦兹变换式。由这种变换关系，可以保证麦克斯韦方程在所有惯性系中具有相同的形式。这样，经典理论所面临的矛盾、困难似乎基本得到解决了。但是，洛伦兹的"长度收缩因子"和"地方时间"的引进，是一种人为的设想和满足数学上需要的作法，带有明显的目的性假说的性质，从长远看，是不可能使理论物理学界感到满意的。

法国科学家彭加勒(1854-1912)全面研究了洛伦兹变换的数学内容，并进一步论证了在洛伦兹变换下麦克斯韦方程的协变性。他认为，解决电磁学所面临的困难应该找到一些基本的假设，而不是像洛伦兹那样引入包括"存在静止以太"在内的11种假设。他以麦克尔逊-莫雷实验为例来说明，无论观察者固定还是匀速运动，物理规律都是相同的，即不可能观察到绝对运动。

1904年，他把这一观点称为相对性原理。彭加勒敏锐指出，物理学正面临着一场危机，"应该建立一个全新的力学，关于它，我们还只能是见到了一点迹象。其中，惯性随着速度的增加而增加。光速将成为一个不可逾越的极限"，"较简单的普通力学，只是在速度不太高时成立，它保持着一级近似。所以在新的力学中，仍然可以找到旧的动力学"。英国物理学家拉摩等和彭加勒一样，也提出了一些接近狭义相对论的重要思想。但是，他们均未能彻底摆脱牛顿绝对时空的传统观念的束缚，谁也没有像爱因斯坦那样意识到"整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造"，因此，他们均未能作出根本性的理论突破。

麦克尔逊-莫雷实验之后的几十年中，还有人设计了一些其他实验以测定地球相对以太的绝对运动，得到的也都是"零结果"。另外，以太这种神秘的、不可捉摸的物质具有一系列令人费解的、相互矛盾的性质：遥远的星光可以传播到地球上，那么作为光的传播媒质的"以太"应当充满整个宇宙，包括真空和所有物质的分子和原子内部，整个宇宙也就是一个具有绝对透明性质的以太的海洋；宇宙中的天体，包括地球、太阳，运动中并未受到以太的阻力，因此，必须假定充满宇宙的"以太"极其稀疏，密度几乎为零；而光是横波，所以其载体，"以太"，应是具有固体的性质的弹性介质；光速非常大，以太的弹性系数应该极大，是绝对刚性的，其硬度应远远超过最优质的钢。这些相互矛盾的性质是很难统一起来的。

以太漂移实验的零结果以及以太必须具备的极其混乱、矛盾的性质使理论物理学家陷入难以自拔的思维困境。

1900年4月27日，在科学界享有厚望的开尔文勋爵在英国皇家学会上发表了《热和光的动力理论上空的十九世纪乌云》的演讲，他满意地回顾19世纪物理学的成就后也不得不承认，物理学"晴空中还飘浮着两朵乌云"，一是与比热和热辐射有关的理论问题，他认为有望在20世纪的开头获得解决，另一则是麦克尔逊-莫雷实验的"零结果"，他认为尚看不到任何可能解决的途径。开尔文勋爵眼光锐利地瞄准了这两朵乌云，但他和当时陶醉于经典物理学成就的其他人一样，都未能预见到，这两朵非同寻常的"乌云"正预示着以量子论和相对论为标志的物理学革命的风暴。