理论教育 时空学概论:迈克耳孙-莫雷实验与光速不变

时空学概论:迈克耳孙-莫雷实验与光速不变

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:为了使本书的论述循序渐进,下面提出的五条时空学公理假设仅在欧氏空间中成立。事实上,就该实验的内容而言,它揭示的问题是属于时空学而不是物理学的,因此在物理学方面我们无法根据迈克耳孙-莫雷实验总结出有意义的结论。“光速不变”揭示了时空的性质,它是时空学的理论基础。迈克耳孙-莫雷实验是一次敲开时空学大门的实验,是可以永久载入史册的实验。之后,爱因斯坦在《狭义相对论》中将“光速不变”作为公设提出。

时空学概论:迈克耳孙-莫雷实验与光速不变

为了使本书的论述循序渐进,下面提出的五条时空学公理假设仅在欧氏空间中成立。

阿尔伯特·迈克耳孙(AlbertMichelson,1852-1931)和爱德华·莫雷(EdwardMorley,1838-1923)在1887年进行了一次著名实验。虽然相关的著述都会提及这一实验,但是关于这个实验得到的结论却莫衷一是。当时业界普遍的观点,认为这个实验的意义是证明了以太不存在。但如果承认光速不是矢量,那么显然这个实验不能否定以太的存在。另一方面,如果假设以太始终游离于物质周围,始终与物质一起运动,是力的传播媒介,则可以认为以太与我们越来越近了。事实上,就该实验的内容而言,它揭示的问题是属于时空学而不是物理学的,因此在物理学方面我们无法根据迈克耳孙-莫雷实验总结出有意义的结论。

现在看来,这个实验可以得到的唯一结论就是发现了“光速不变”,即光速是绝对的,光速与光源的运动无关。“光速不变”揭示了时空的性质,它是时空学的理论基础。迈克耳孙-莫雷实验是一次敲开时空学大门的实验,是可以永久载入史册的实验。

我们仔细查阅这个实验,可以发现实验中使用的光源既不是太阳光,也不是星光,而是静止于地球表面、静止于观察者的普通光源。实验虽然几次改变了光的运行方向,却始终没有改变光源与观测者相对静止的事实。因此,逻辑而言,这个实验可以得到的结论是:“在光源的本征参照系中光速不变”。(www.daowen.com)

我们查阅资料可以发现,庞加莱(J.H.Poincare)1898年在其论文《时间的测量》中,首次提出了光速在真空中不变的公设。之后,爱因斯坦在《狭义相对论中将“光速不变”作为公设提出。二者的“光速不变”都没有指明“光速不变”是否包含光速“在光源的非本征参照系中不变”。在观念上,庞加莱和爱因斯坦都没有“本征参照系”和“非本征参照系”的概念,二人的“光速不变”在内涵上都包含了光速“在非本征参照系中的值不变”。

无论是在实验还是理论上,“光速在非本征参照系中的值不变”在迈克耳孙-莫雷实验以后都没有被证明过。后来所有测量光速的实验,事实上都是在光源的本征参照系中进行的,并且都是根据光的频率和波长测定。根据上述分析,目前,我们关于光速的所有实验在逻辑上可以得到的结论只能是“光速在光源的本征参照系中不变”。

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