登录站点

用户名

密码

近代物理学反思

2已有 904 次阅读  2011-10-11 09:38   标签xml  office  center  物理学  style 

第三章 近代物理学反思

第一节 验证“以太”的两个实验

《近代物理学》(梁绍荣、刘昌年、盛正华主编)对光行差现象和迈克尔逊-莫雷实验进行了详细介绍。

(一) 光行差现象

所谓光行差现象,就是从地面上看到的恒星位置(视位置)与恒星的真实位置稍有偏移的现象。1727年,英国天文学家布拉特莱首先报道了他的光行差观测结果:当观测处于你正上方的恒星时,你必须将望远镜稍微倾斜一个角度,才能看到这一恒星,这个倾斜的角度大约和垂直线成。在一年中,望远镜的轴线画一个光行差圆锥。

为了说明光行差发生的原因,我们打一个比喻:设一滴水从高处垂直向地面匀速落下,要想使这滴水穿过一个在地面上静止的管子,我们就必须使管子与地面垂直,并且使管口对准落下的水滴,水滴才正好穿过(见图1-a)。如果管子沿地面水平方向运动,要是还想让水滴穿过管子,并且当水滴从管子下口出来时,管子下口正好移动到水滴垂直下落所经过的路线上,就必须把管子朝运动的方向倾斜(图1-b)。管子倾斜的角度可由下式算出:

                           (1

上式中是管子相对于地面的速率,是水滴相对于地面下落的速率。

                                              υ2             α

υ2t υ1

                            υ1t

                                               

                                       图 17

比较光行差现象与上面的现象,将恒星发出的光和水滴对应,望远镜和管子相对应,地球相对于“以太”的运动和管子相对于地面的运动相对应,那么,如果地球在“以太”中是静止的,为了观测你正上方的恒星,你就必须将望远镜垂直指向上方,如图2-a所示。如果地球相对于“以太”以速率向右运动,则为了观测这一恒星,你就必须将望远镜向右倾斜,如图2-b所示,在这种情况下,恒星的视位置比真实位置稍向前偏移一点。

 

       ()             (

               图 18

设地球相对于“以太”的速率为,光相对于“以太”的速率为c,按前面分析得出的式(1),望远镜的倾角应服从下式:

                       (2

  用地球的轨道速率代入,大约为,而光速,由此可得。地球绕太阳的轨道运动近似是圆,每隔6个月光行差的方向要反向,因此,望远镜的轴线在一年将描出一个光行差圆锥,如图3所示。

        图 19

以上的分析计算与观测的结果完全相符。

光行差现象的意义何在?物理学家曾认为接近地球表面的“以太”恰如空气一样,由于被吸引而随着地球一起运动。换句话说,地球表面附近的“以太”被地球拖曳着一起运动,这就是所谓的“拖曳假说”。如果这种假设成立,就意味着“以太”相对于地球静止,观测我们头顶的恒星时望远镜就不必倾斜,即不会存在光行差现象。光行差现象说明:地球在“以太”中运动,“以太”没有被地球拖曳着一起运动。

().迈克尔孙-莫雷实验

这个实验的目的是寻找“以太”,以验证“以太”假说。他们的想法是这样的,如果在“以太”中光速是一定的,那么,当观察者以一定的速度相对于“以太”运动时,光相对于观察者的速度在不同方向应是不同的。他测量到迎面而来的光,速度大,从后面追来的光,速度小,即光速与观察者相对于“以太”的速度有关。如果能测量到这个差别,就支持了“以太”假说。

对此,我们可以作如下的比喻:

设想一乘客乘坐在匀速行驶的火车里,在与铁路平行的公路上有来往行驶的汽车,假设这些汽车的速度大小相等,那么,乘客一定会看到,迎面而来的汽车相对于他的速度大,而从后面开来的汽车相对于他的速度小。如果把地球比喻成“以太”,那么,汽车就好比是光,观察者就是在行驶的火车中的乘客。来往汽车相对于乘客的速度不同,就如同光相对于观察者的速度在不同方向上不同。

光速为每秒30万公里,而一般物体速度都很小,所以,即使不同方向的光速是不相同,我们也很难测量出来。迈克尔孙-莫雷实验不是直接测量不同方向的光速值本身,而是测量不同方向的速度之间的差,这正是该实验的巧妙之处。

实验是用迈克尔孙发明的干涉仪作的。把迈克尔孙干涉仪固定在地球上,如图20所示,设想“以太”相对于太阳是静止的,则与地球固連的干涉仪将以30km/s的速率(地球绕太阳的轨道速率)相对于“以太”运动,其方向要随季节而变,如图21。暂时略去地球的自转运动。光束从光源S发出,被半镀银镜M分成两相干光束:通过M的光束1和被M反射的光束2。光束1M1反射回到M,光束2则被镜M2反射回到M。然后,返回的光束1部分地被M反射,返回的光束2部分地透过M,都达到T处,在那里发生干涉。

图 20

设干涉仪的两臂长度相等,则光束1和光束2的光程差是由于与地球固连的仪器相对于“以太”运动引起的。假定地球沿MM1方向以速率相对于“以太”运动,则沿M-M1-M-T传播的光束1与沿M-M2-M-T传播的光束2所用的时间是不一样的。光在“以太”中沿任何方向的传播速率均为c。因为干涉仪的臂沿MM1方向相对于“以太”以速率运动,所以,根据速度合成法则,从实验室参照系来看,光束1沿MM1的速率为,而光束1返回时沿M1M的速率则为。于是,光束1MM1,然后再由M1回到M,往返所需的时间为 

     图 21              图 22

另外,光束2MM2,然后返回M的路径如图22所示,在此图中, 是干涉仪相对于“以太”的速度。镜子M2以速率相对于“以太”运动,光以速率在“以太”中传播,经运动镜面M2反射的光束2就自然有图示的“横渡”路径。读者只要想一想游泳者往返横渡河流的路径,就容易理解光束2的“横渡”路径。设光束2 从MM2,再由M2返回M所需时间2,则

所以,

是在“以太”参照系中计算的,是在实验室参照系中计算的,由于时间在经典物理中是绝对的,因此在经典物理中,光束2和光束1所经历的时间差为

             (3

因为

,所以式(3)可写成

于是,两光束的光程差为

再将仪器在水平面内旋转,使两臂易位,则前后两次的光程差为,在旋转过程中,由于改变了光束1和光束2之间的位相关系,所以应当看到干涉条纹图样发生移动,移动的条数为

                 4

上式中均为已知,若能测量出条纹移动的条数,就可以由上式算出地球相对“以太”的绝对速度。倘若如此,就可以把“以太”作为绝对参考系了。

在迈克尔孙-莫雷实验中,,光的波长取地球绕太阳公转的速率(),由式(4)可以算出,干涉条纹移动的条数应为。用迈克尔孙干涉仪可以观测到0.01个条纹的移动,所以,观测0.4个条纹的移动是毫不困难的。但是,在不同季节、不同时刻、不同方向上反复进行了多次实验,始终没有观测到条纹的移动。实验的结果是:根本不存在条纹移动 这就是著名的“零结果”。

  迈克尔孙-莫雷实验的“零结果”表明:相对于“以太”的绝对运动是不存在的,“以太”不能作为绝对参照系;在地球上沿各方向的光速应相同。

  不少物理学家企图用各种理论解释迈克尔孙-莫雷实验的“零结果”。其中一种最合乎常识的解释认为,地球表面的“以太”被地球拖曳,即“以太”相对于地球静止。但是,如前所述,这种解释已被光程差现象所否定。

  所有的实验都证实,“以太”假说是不正确的。

(三) 光行差现象反思

  “以太”假说不正确已被现代物理学充分证实。利用前面对光行差现象的分析,我们来看一看光行差现象究竟说明了什么问题?

在水滴下落实验中,当管子倾斜着运动时(设管长为,水滴通过管子的竖直高度为),以管子为参照物,水滴下落的速度应为。因为观测者测得管子的长度为,测得水滴经过管子的时间为,由于时间在经典物理中是绝对的,所以,即 ,解得,,所以,。即以管子为参照物的观察者测得的水滴速度满足经典的速度合成公式,式中的分别是管子和水滴相对于地面的运动速度。如果以管子为参照物的观测者认为:水滴的运动速度与管子的运动状态无关,即水滴的运动速度为且保持不变,则观测者测得水滴经过的距离等于管子的实际长度,计算出水滴经过管子的时间变长,这是因为。如果以管子为参照物的观测者认为水滴的运动速度为且保持不变,水滴经过管子的时间为,则计算出水滴通过的距离为,即水滴经过的距离小于管子的实际长度。后面两种结果明显与实际不相符。

不知相对论的支持者赞同以上哪种结论?第一种结论是经典物理学的结论。第二种结论与相对论的运动时间变长相符,但是除了速度不变外,还包含长度不变,运动物体长度不变又与相对论的结论相矛盾;第三种结论与相对论的运动物体长度变短相符,但是除了速度不变外,还包含时间不变,运动时间不变又与相对论的结论相矛盾;因为相对论认为:运动时间变长,运动物体长度缩短,所以以上三种结论都与相对论相矛盾。

同样可以推出:光相对于望远镜的速度为,即光速同样满足经典的速度合成公式,式中分别是光和望远镜(地球)相对于恒星的运动速度。设望远镜的长度为,光通过望远镜的竖直距离为,则以地球为参照物的观测者测得光通过望远镜的实际距离为,测得光通过望远镜的实际时间为(因为时间在经典物理中是绝对的),可计算出光相对于望远镜的速度为,即,光速满足经典的速度合成公式。如果我们认为光速恒定不变,不满足经典的速度合成公式,即光速恒定为,那么,我们计算出光通过望远镜的时间应为,这个理论值与实际测量值不符,并且比实际测量值要大。理论与实际不符,只能说明理论错了,即假设光速恒定不变是错误的。如果我们地球上的观测者认为光速为恒定不变,测量出光通过望远镜的实际时间为(这段时间是前面分析光行差现象时,大家公认的),据此计算出的望远镜的长度为,小于望远镜的实际长度。可见,理论又与实际不相符,这只能说明理论错了,即假设光速恒定不变是错误的。也许相对论的支持者会说,运动时间变长,即以地球为参照物的观测者测得的时间比以恒星为参照物的观测者测得的时间要长;运动物体长度缩短,即以地球为参照物的观测者测得物体的长度比以恒星为参照物的观测者测得物体的长度要短,这两个结论都与相对论的结论相符。但是,这两个结论的错误与水滴经过管子的结论一样再明显不过了。

  从以上分析可以看出,抛弃经典速度合成公式,就会得到运动物体时间变长,运动物体长度缩短,这些奇怪的结论。但这些奇怪的结论是在错误的前提条件下产生的错误结果,这不是科学。既然第二种结论和第三种结论都是错误的,那么光速不变原理就是错误的。光行差现象说明:地球在“以太”中运动,“以太”没有被地球拖曳着一起运动。同时也说明光速不变原理是错误的,光速满足经典的速度合成规律。

(四) 迈克尔孙-莫雷实验反思

    在迈克尔孙-莫雷实验中,对实验结果的整个分析过程都在运用光速与光源的运动状态无关, “零结果”正是居于光速不变原理得出来的,所以“零结果”说明:光速与光源的运动状态无关是错误的。

首先,在迈克尔孙-莫雷实验中分析得出的光束1MM1,然后再由M1回到M,往返所需的时间为:。这个结论就是光速不变原理的结果。这是因为:如果光速与光源的运动状态有关,则光跟惯性物体一样往返的速度都是(正如一个人在匀速运行的火车车厢里来回走动一样),光束1往返所需要的时间也跟惯性物体一样应该为:。我认为对光速不变原理的理解应该是:任何光源发射的光的速度都是,与光源的运动无关。而不应该像教科书上写的那样:“应当指出,爱因斯坦的相对性原理,是在一种新的变换(洛仑兹变换)下对所有的物理规律都成立。而伽利略的相对性原理,只在伽利略变换下,对牛顿力学定律成立。爱因斯坦的相对性原理是对伽利略的相对性原理的推广,而光速不变原理是爱因斯坦提出的全新假设,并且,有了后者才能使前者成立,可见,光速不变原理从根本上改变了牛顿以来物理学的基础,改变了经典的时空观。例如,光相对于地球以速度C传播,从相对于地球以速度运动着的宇宙飞船上看,光的传播速度是多少?按伽利略变换,当光的传播方向与飞船的运动方向一致时,从飞船上测得的光速应为;而当光的传播方向与飞船的运动方向相反时,从飞船上测得的光速应为。但是,按光速不变原理,不论飞船如何运动,从飞船上测得的光速均为C。”,如果真的像教科书上写的那样,以相同速度向着光源运动的接收者与远离光源的接收者接收到的光速都相同,那么是否可以认为光具有自行调节其速度的特异功能或智慧?

  其次,光速如果与光源的运动状态无关的话,经M的反射光线的方向应竖直向上,如图23所示。光束2M2反射后到达M时的入射点与第一次经M的反射点之间在水平方向必存在间距,且。显然,,故,。将代入上式,可求出。如果将仪器在水平面内旋转,则在与它垂直的另一方向上出现一个的水平间距。由此看来,我们只要测量并比较光束2M2反射后到达M时的入射点与第一次经M的反射点之间在水平方向存不存在间距,就能确定光速是否满足经典的速度合成规律。也就是说不存在间距就满足经典的速度合成规律,证明光速满足经典的速度合成规律;存在间距就不满足经典的速度合成规律,证明光速不变原理是对的。由于,且,因此迈克尔孙干涉仪无论如何都不能够观察到干涉花样的移动。只有光速与光源的运动状态有关才会出现图22所示的“横渡”路径。正如我们计算物体“横渡”所需的时间一样,光束2MM2,然后返回M所需的时间不是,而是

  

                   图 23 

综观以上分析可以看出,迈克尔孙-莫雷实验证明了“以太”不存在,但不能证明光速与光源的运动状态是否有关。光速是否满足经典的速度合成规律,要看光束2M2反射后到达M时的入射点与第一次经M的反射点之间在水平方向存不存在间距

经典物理学认为:时间是绝对的,空间是绝对的,相对运动物体的速度满足速度合成律。相对论逆其道而行之,认为:时间是相对的,空间是相对的,光速是绝对的。相对论在反对绝对的同时又制造了另一个绝对。

分享 举报

发表评论 评论 (1 个评论)

  • 钟杏生 2011-11-10 11:13
    光是相对于以太的运动,当时不知道以太是什么物质,有什么属性,怎样运动。以太本质是正负电子对构成的元粒子,它包围地球,与地球随动,“迈克-莫雷实验”把以太设为地球运动的绝对静止参照系是错误的;实际,地球与以太之间没有相对运动。实验系统在地球上,地球与以太随动,属于系统的运动,与系统内光相对以太运动无关,与以太存在与否无关,即实验不能证明以太有无,只能证明光速各向同性的不变。光的本质不是光源辐射光子,爱因斯坦说的光子,在现实中根本不存在。光的本质是充斥自由空间的元粒子对光源电磁能扩散运动,包围光源的元粒子被磁化极化形成电磁场,其洛伦兹力把光源参与电磁交替的电子流的电子纵向拉出光源,成为光电子,伴随光电子的元粒子被磁化极化形成电磁场就是电磁波,其洛伦兹力能够为光电子提供纵向光速运动动能,能够保证光速传输过程保持不变。光速仅决定于元粒子所决定的空间电磁属性:电容率和磁导率,与光源及其运动无关。真是光速不变才会在“光源-光的”存在相对运动时产生“红移”、“兰移”的多普勒效应。
    这样说是否对?
涂鸦板