量子力學(xué)和相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱,，相對于量子力學(xué)來說，相對論幾乎是愛因斯坦一人的功績,，至少對外行人來說是這樣,。相對論本身又分狹義相對論和廣義相對論,，其中狹義相對論是每個(gè)具有高中以上物理和數(shù)學(xué)知識的人可以掌握的，從狹義相對論的基本假設(shè)出發(fā),，通過求解一系列線性方程組,，我們可以得到狹義相對論的主要公式，比如著名的：

這幾乎是非專業(yè)工作者可以輕松掌握的最后一個(gè)物理理論,，但如果你要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)量子力學(xué)或廣義相對論,，你就必須花大量的時(shí)間，除了閱讀和思考,，計(jì)算也是必備的,。

以太假說

現(xiàn)在我們就來討論相對論的創(chuàng)建，首先是狹義相對論的創(chuàng)建,。要討論這一話題,，我們首先需要回憶1900年時(shí)的物理學(xué)狀況。1900年時(shí),，物理學(xué)家們已經(jīng)得到了三大理論：經(jīng)典力學(xué),、經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)（就是經(jīng)典的熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理），統(tǒng)稱經(jīng)典物理學(xué),。我們所熟悉的：行星的運(yùn)動,、炮彈的運(yùn)動、聲音現(xiàn)象,、熱現(xiàn)象,、電磁學(xué)現(xiàn)象、光學(xué)現(xiàn)象等都已經(jīng)很好地被解釋,。自然界中如此多樣的物理現(xiàn)象竟然被三個(gè)基本理論所解釋,，這本身就是個(gè)巨大的成就。

如果我們回顧一下伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)對科學(xué)研究的態(tài)度的話,，我們會感嘆伽利略對存在一個(gè)統(tǒng)轄一切的終極理論是否太悲觀了呢,？伽利略認(rèn)為：

由觀察或?qū)嶒?yàn)得到的每個(gè)事實(shí)及其直接的和不可避免的推論都按照本來面目被人接受，不管人們怎樣想把自然界一下子收服在理性的管轄之下,。許多孤立的事實(shí)的協(xié)和是慢慢顯露出來的......要把所有的科學(xué)的和哲學(xué)的知識融合成一個(gè)更高的,、統(tǒng)攝一切的統(tǒng)一體，即使還不是絕不可能的,，也須推遲到遙遠(yuǎn)的將來,。

僅僅過了300年，物理學(xué)家因?yàn)榻?jīng)典物理學(xué)的偉大成就而感到滿足,，并開始憧憬物理學(xué)大廈的最終完成,。開爾文勛爵是經(jīng)歷了19世紀(jì)物理學(xué)主要發(fā)展的學(xué)術(shù)權(quán)威，1900年，他在迎接20世紀(jì)的物理學(xué)年會上說：“物理世界的理論大廈已經(jīng)建立起來了”,，今后物理學(xué)家的工作就是在小數(shù)點(diǎn)之后再加上幾位的“零碎修補(bǔ)工作”,。同時(shí)開爾文也指出：“在物理世界的東方有兩片烏云，一片是以太理論的困難（電磁學(xué)的參考系問題）,，一片是能量均分定理的困難（熱輻射的理論解釋）”,。

開爾文的講話再次證明科學(xué)發(fā)現(xiàn)本身是不可預(yù)測的，后來科學(xué)史的發(fā)展證明,，20世紀(jì)上半葉非但不是對物理學(xué)大廈的修補(bǔ),，反而是自哥白尼革命后的第二次科學(xué)革命，相對論和量子力學(xué)就是第二次科學(xué)革命的成果,。

但相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)并非歷史上的突發(fā)事件,，第二次科學(xué)革命的萌芽其實(shí)已經(jīng)孕育在經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部了，開爾文指出的兩片烏云正是新理論出現(xiàn)的征兆,。

“物理學(xué)的終結(jié),？”19世紀(jì)末物理學(xué)家眼中的經(jīng)典物理學(xué)。

經(jīng)典物理學(xué)有三個(gè)基本的理論,，那么它們?nèi)咧g又是什么關(guān)系呢,？如果不能將其統(tǒng)一為一個(gè)理論，但至少不應(yīng)當(dāng)是互相矛盾的,。但是如果我們同時(shí)把三個(gè)理論中的任意兩個(gè)利用于某些物理現(xiàn)象,，會發(fā)現(xiàn)很難解釋這些現(xiàn)象。這意味著我們需要對經(jīng)典物理學(xué)進(jìn)行修補(bǔ),，乃至完全放棄經(jīng)典物理學(xué)建立新的理論,。

以太理論的困難反映的是調(diào)和經(jīng)典電動力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的困難,，而熱輻射的理論解釋則需要同時(shí)使用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)與經(jīng)典電動力學(xué),。那么經(jīng)典力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)之間呢？它們同樣也存在著難題,，發(fā)現(xiàn)這個(gè)難題的正是開爾文本人,。利用經(jīng)典力學(xué)和熱力學(xué)理論，開爾文曾經(jīng)估算過太陽系的最大年齡,，他的結(jié)果是最大不超過幾千萬歲,，但地質(zhì)學(xué)和古生物學(xué)知識告訴我們地球上的生物至少已進(jìn)化了幾億甚至幾十億年。

現(xiàn)在回到狹義相對論,，要討論狹義相對論的創(chuàng)建讓我們首先討論人類對光本性的認(rèn)識,。最初牛頓提出了粒子說，惠更斯則提出了波動說,，牛頓的粒子說相對占了上風(fēng),。但1801年楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)之后，波動說逐漸占了上風(fēng),。后來麥克斯韋提出電磁輻射理論,，證明了光波就是電磁波,，而赫茲實(shí)驗(yàn)也表明電磁波具有光波的一切性質(zhì)。因此在1900年前后,，物理學(xué)家確認(rèn)光是一種波動,，具體說就是電磁波。

而根據(jù)經(jīng)典力學(xué), 波動是需要有介質(zhì)的,，比如聲波是在空氣或水中傳播的,。因此光波即電磁波也需要一種介質(zhì)，而這種因理論需要而假想出來的介質(zhì)就被命名為以太,。麥克斯韋寫道：

人們想出了各種各樣的以太,。行星在其中漂浮的以太，電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象賴以形成的以太,，把人們的感覺從身體的這一部分傳遞到另一部分的以太等等,。至今人們提出的，充滿整個(gè)空間的以太已有三,、四種,。只有一種以太經(jīng)受了考驗(yàn)，這就是由惠更斯為解釋光的傳播而想出的那種以太,。

證明以太的存在是困難的,，設(shè)想我們在真空中揮動手臂，我們并不會感到以太的存在,，我們也無法用眼睛看到它,，因?yàn)橐蕴旧聿⒉话l(fā)光。但我們可以根據(jù)光的各種現(xiàn)象去推論以太的性質(zhì),。比如：因?yàn)楣庠凇罢婵铡敝幸部蓚鞑?，并還可通過各種光介質(zhì)，因此以太是無所不在的,，充滿整個(gè)宇宙,。因?yàn)殡姶挪ㄊ菣M波，以太應(yīng)類似于固體具有切向的應(yīng)力,，但固體中即可傳播橫波又可傳播縱波,，因此以太又不是固體，因?yàn)樗耆珱]有垂直方向的應(yīng)力,。因?yàn)楣馑偈且阎鞣N速度中最快的,，因此以太應(yīng)當(dāng)是最“硬”的, 但我們又幾乎無法感覺到它的存在。

為了理解這種具有奇異性質(zhì)的以太,，19世紀(jì)末的物理學(xué)家提出了很多模型,，比如開爾文提出以太應(yīng)該具有類似鞋匠所用鞋膠或鞋蠟的性質(zhì)，這類物質(zhì)具有這樣的特性：當(dāng)快速加上強(qiáng)力時(shí)，它們能像玻璃一樣斷開,，但在很弱的力作用下,，它們會象液體一樣流動。麥克斯韋也曾構(gòu)造過以太的機(jī)械模型,，但所有這些努力都未取得成功,。

麥克斯韋構(gòu)想過的一種以太機(jī)械模型。

光速的測量

測量光速對實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來說是個(gè)巨大的挑戰(zhàn),，因?yàn)楣獾乃俣忍炝?，在我們的日常?jīng)驗(yàn)里光速就是無窮快的，我們一開燈,，光瞬間就會充滿整個(gè)房間,。所以即使光速是有限的，它也會非常非?？?，因此要成功地測量光速，我們需要精確精細(xì)地測量時(shí)間,，或有個(gè)足夠大的實(shí)驗(yàn)室,。

伽利略曾嘗試測量光速。他在一個(gè)漆黑的夜晚,，讓一個(gè)助手在約4.8公里遠(yuǎn)的小山頂上,，放一個(gè)可用桶罩住的發(fā)光手燈，他自己也有一個(gè)這樣的手燈,。當(dāng)兩人都準(zhǔn)備好以后,，伽利略去掉罩在手燈上的桶，燈光會以光速傳播到他的助手那里,，助手一看見燈光,，也立即拿掉罩在手燈上的桶，燈光也同樣以光速傳到伽利略那里,。伽利略記錄了從他第一次拿去手燈上的桶到看見助手燈光的這一段時(shí)間,，再根據(jù)事先精確測定的兩地間的距離,，便可以計(jì)算出光速,。可惜伽利略的實(shí)驗(yàn)失敗了,，因?yàn)槿丝吹綗艄獾阶鞒龇磻?yīng)至少需要0.1秒的時(shí)間,，而我們現(xiàn)在知道光速每秒是30萬公里，顯然4.8公里太短了,。

但伽利略的另一項(xiàng)發(fā)明——望遠(yuǎn)鏡,，為光速的測量奠定了基礎(chǔ)。1610年，伽利略用自己發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)了木星的四個(gè)衛(wèi)星,，并且發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星圍繞木星旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間都是固定的,，即我們通過望遠(yuǎn)鏡可以確定木星衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期。

天文方法

歷史上第一次成功地測量光速,，就是利用了木星衛(wèi)星的“掩蝕”現(xiàn)象,，所謂木星衛(wèi)星的掩蝕指的是地球、木星和木星的衛(wèi)星基本成一直線,，木星的衛(wèi)星恰好被木星遮擋,，我們在地球上將觀察不到木星的衛(wèi)星，即木星的衛(wèi)星被掩蝕,。但由于木星和地球之間有相當(dāng)長的一段距離,，所以地球上的觀察者會滯后一段時(shí)間觀察到木星的衛(wèi)星被木星遮擋。如果我們測量出木星的衛(wèi)星繞木星公轉(zhuǎn)的周期,，我們將精確地預(yù)測每次木星的衛(wèi)星被掩蝕的時(shí)間,。

1675年，丹麥天文學(xué)家羅默（Olaf Roemer, 1644-1710）對木星的第一顆衛(wèi)星（Io）進(jìn)行了觀測,，當(dāng)?shù)厍蛭挥谌缦聢DA位置時(shí),，觀測到木衛(wèi)一公轉(zhuǎn)周期是約42.5小時(shí)，由于公轉(zhuǎn)周期是不變的,，因此我們可預(yù)測下一次掩蝕發(fā)生的時(shí)間是42.5小時(shí)之后,，再下一次應(yīng)是85小時(shí)之后等等。但是,，羅默發(fā)現(xiàn)這個(gè)預(yù)言并不準(zhǔn)確,。當(dāng)?shù)厍蛴葾逐漸向C運(yùn)動時(shí)，下一次掩蝕發(fā)生的時(shí)間要比預(yù)測的推遲一點(diǎn)點(diǎn),，當(dāng)過了大約半年時(shí)間,，地球運(yùn)行到C位置，而木星則由J1位置運(yùn)行到J2位置（由于木星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)周期比地球周期長得多(木星的公轉(zhuǎn)周期是11年多),，因此木星的運(yùn)動在這里幾乎可以忽略不計(jì)）,，此時(shí)木衛(wèi)一發(fā)生掩蝕的時(shí)間已經(jīng)比預(yù)言推遲了1000秒。

羅默很快意識到,，如果認(rèn)為光速是有限的話,，這1000秒時(shí)間恰好對應(yīng)光穿過地球軌道直徑所需要的時(shí)間。那個(gè)時(shí)代,，地球軌道直徑被認(rèn)為是大約2.76億公里（正確值是約3.0億公里）,，因此羅默得到的光速比正確值略小，但作為對光速的第一次成功測量,，羅默的方法被載入了史冊,。

羅默的方法相當(dāng)于是一個(gè)在“天文學(xué)尺度”上重做的伽利略實(shí)驗(yàn),，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，伽利略的助手拿著燈(木衛(wèi)一)逐漸遠(yuǎn)離我們,，與此同時(shí)他按照一定周期(42.5小時(shí))遮擋燈光,，伽利略每次看到燈光被遮擋都要比上一次滯后一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間，如果助手退到足夠遠(yuǎn)的話, 比如說是地球公轉(zhuǎn)直徑：

總的時(shí)間退遲將逐漸積累到可以測量的足夠大數(shù)值(1000秒). 因此,，光速($c$)為:

在17-18世紀(jì),，利用天文現(xiàn)象，即使用足夠大的實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)比精確地測量時(shí)間要來得容易,。在羅默之后,，英國的布雷德利（James Bradley，1693-1762）又利用另外一種天文現(xiàn)象——光行差(aberration)現(xiàn)象,，對光速進(jìn)行了測量,。

為了理解光行差現(xiàn)象，我們可以假設(shè)自己在雨中行走,，假設(shè)沒有風(fēng),，雨滴是垂直落下的，如果靜止,，我們應(yīng)當(dāng)把傘放在與地面垂直的方向上,。假設(shè)我們向前運(yùn)動，我們會感覺雨滴不是垂直落下的,，而是傾斜地迎面落下的,，傾斜的角度與我們運(yùn)動的速度有關(guān)，當(dāng)然也與雨滴下落的速度有關(guān),，如果我們改變自己運(yùn)動速度的方向和大小,，雨滴下落的傾角也相應(yīng)會發(fā)生變化。

雨中行走, 雨滴下落的傾角會隨行走的速度而發(fā)生變化.

如果我們承認(rèn)光速是有限的,，遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光就好像雨滴一樣從天空中落下,，如果地球是運(yùn)動的，那么垂直落下的星光就會變成傾斜落下的,。我們知道,，地球圍繞太陽以大約30公里/秒的速度公轉(zhuǎn)，其運(yùn)動方向在不斷地改變著,，這意味著星光落下的方向也在不斷改變,，這就是所謂“光行差”。

1728年,，布雷德利對天龍座γ星（Gamma Draconis）進(jìn)行了觀測,，發(fā)現(xiàn)在6個(gè)月的時(shí)間里,，它的方向改變了40秒角度,，由此他可計(jì)算出光速為約31萬公里/秒,。布雷德利的結(jié)果不太精確，但他提供了光速是有限的獨(dú)立證據(jù),。并且光行差現(xiàn)象本身也是導(dǎo)致狹義相對論產(chǎn)生的重要實(shí)驗(yàn),。

利用“光行差”測量光速示意.

假設(shè)“光行差”用角度$\theta_{a}$表示，由于$\theta_{a}=40'$很小,。換算成弧度,，

由此, 可估算出:

地面測量法

直到1849年，法國物理學(xué)家斐索（Fizeau,，1819-1896）才利用非天文方法在地面上第一次成功地測量了光速,。斐索的儀器是非常精巧的。

斐索的方法被稱為“旋轉(zhuǎn)齒輪”法,，它的核心是一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的并可調(diào)整轉(zhuǎn)速的齒輪,，利用這個(gè)齒輪我們可以精確地測量時(shí)間。由于當(dāng)時(shí)電燈尚未發(fā)明,，斐索使用的光源其實(shí)是蠟燭,，它發(fā)出的光波射到8公里遠(yuǎn)的鏡子上并返回。假設(shè)齒輪不轉(zhuǎn)動,，那么蠟燭發(fā)出的光將從相鄰兩個(gè)齒之間穿過,，然后又回來射到觀察者的眼睛里。

旋轉(zhuǎn)齒輪法測光速

現(xiàn)在假設(shè)齒輪開始轉(zhuǎn)動,，但轉(zhuǎn)速較慢,，當(dāng)光被鏡子反射回來的時(shí)候正好被相鄰的齒擋住，因此沒有光射到觀察者的眼睛里,。如果加快齒輪的轉(zhuǎn)速,，使光被反射回來的時(shí)候恰好轉(zhuǎn)過一個(gè)齒輪，那么光又可以射到觀察者的眼睛里,。于是斐索知道當(dāng)齒輪恰好轉(zhuǎn)過一個(gè)齒的時(shí)間,，就對應(yīng)的是光傳播16公里所需要的時(shí)間。斐索得到的光速是313111公里/秒,，考慮到他所利用儀器的局限,，這個(gè)結(jié)果已經(jīng)相當(dāng)精確了。

1850年法國物理學(xué)家傅科（Foucault,，1819-1868）利用旋轉(zhuǎn)鏡法首次實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室里對光速的測定,。傅科使用快速旋轉(zhuǎn)的鏡片替代了斐索的齒輪，快速旋轉(zhuǎn)的鏡片會使出射光線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ,，1862年傅科的測量結(jié)果是29.8萬公里/秒,。

旋轉(zhuǎn)鏡法測光速

更精確的測量是由美國物理學(xué)家邁克爾遜（Michelson，1852-1931）在1926年完成的,，他改進(jìn)了傅科的方法,，使用一個(gè)多面的旋轉(zhuǎn)鏡,，將光波分成不連續(xù)的光束。類似于斐索的實(shí)驗(yàn),，這些光束將被反射到35公里遠(yuǎn)的鏡子上,，然后再被反射回來。如下圖,，我們使用一個(gè)六面鏡,，該鏡由電動機(jī)驅(qū)動，可以任意調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度,。假設(shè)鏡子不轉(zhuǎn)動,，并且處在如圖的位置，光恰好可以被觀察者看到,。如果多面鏡旋轉(zhuǎn)起來,，并且旋轉(zhuǎn)速度不快時(shí)，多面鏡的位置將不能使光束被反射到觀察者的眼睛里,。但當(dāng)逐漸加快多面鏡旋轉(zhuǎn)速度,，并恰好使相鄰鏡面恰好處于前一個(gè)鏡面原先的位置時(shí)，即多面鏡轉(zhuǎn)了1/6圈時(shí),，觀察者將可重新看到被反射的光束,。

旋轉(zhuǎn)多面鏡法測光速

邁克爾遜在實(shí)驗(yàn)中使用了8面鏡，12面鏡和16面鏡,。他把旋轉(zhuǎn)鏡安置在加州的威爾遜山上,，反射鏡則安裝在35公里外的圣安東尼奧山上。美國海岸與大地測量局 （Coastal and Geodetic Survey）為邁克爾遜專門精確地測量了這段距離,，其誤差小于5厘米,。邁克爾遜1926年的測量結(jié)果是299796公里/秒，誤差不超過4公里/秒,。這是當(dāng)時(shí)的最佳結(jié)果,。

尋找以太

如果以太存在的話，它必然要彌散于整個(gè)空間,，因此它應(yīng)是某種凝固于宇宙中的不能運(yùn)動的東西,。從這個(gè)角度我們再次得到了“絕對參考系”這個(gè)概念。在哥白尼之前,，地球就是這個(gè)特殊的參考系,，地球是靜止的，太陽和其他行星都圍繞地球運(yùn)動,。哥白尼之后,，太陽一度替代了地球的地位，被認(rèn)為是靜止不動的,，但很快人們發(fā)現(xiàn)太陽本身也在圍繞銀河系的中心在運(yùn)動,。那有沒有什么東西是絕對靜止不動的呢,？看來“以太”可以是一個(gè)潛在的選擇，以太充滿整個(gè)空間,，它是靜止不動的,，其他所有物體都相對以太運(yùn)動,，這就是“靜止以太學(xué)說”,。

以太拖曳

為了便于理解，設(shè)想我們在一個(gè)巨大的湖里,，湖水是靜止不動的,，我們坐船可以在湖水里航行，湖水就相當(dāng)于靜止以太,。假設(shè)我們在湖水里航行,，把手伸進(jìn)湖水里會感覺到水在運(yùn)動，換句話說我們可以通過觀察水是否運(yùn)動來判斷船是否在運(yùn)動,。這就是以太漂移（ether drift）或以太風(fēng)（ether wind）,，如果我們觀察到以太風(fēng)，就說明地球相對以太確實(shí)是運(yùn)動的,，換言之就能加強(qiáng)人們對以太存在的信念,。

總結(jié)一下，如果采納靜止以太學(xué)說,，由于地球是運(yùn)動的,，因此應(yīng)當(dāng)能觀察到以太風(fēng)。但可惜人們沒能觀察到以太風(fēng)存在的效應(yīng),。比如如果以太風(fēng)存在,，望遠(yuǎn)鏡聚焦的焦點(diǎn)將隨地球運(yùn)動狀況的改變而改變，但人們一直未觀察到這種效應(yīng),。

另一種關(guān)于以太的學(xué)說,，是菲涅爾的以太拖曳學(xué)說。1818年,，法國物理學(xué)家菲涅爾（Fresnel,，1788-1827）提出物體內(nèi)的以太密度應(yīng)當(dāng)比真空中的大，因此象望遠(yuǎn)鏡這樣的物體可拖動部分以太和它一起運(yùn)動,，就好像湖水中的船會拖曳部分湖水和它一起運(yùn)動一樣,。

菲涅爾進(jìn)一步定義了“拖曳系數(shù)”，拖曳系數(shù)如果為1表示以太可以完全跟上物體的運(yùn)動,；如果是介于0,、1之間則表示以太只能部分地跟上物體的運(yùn)動；為0則表示以太完全不能被拖曳,，即對應(yīng)靜止以太,。

斐索流水實(shí)驗(yàn)

1859年,，斐索做了流水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是為了考察介質(zhì)的運(yùn)動對在其中傳播的光速有何影響,，從而判斷以太是否被拖曳,。實(shí)驗(yàn)裝置如上圖所示，光束由光源L發(fā)出后,，經(jīng)過半透鏡后分為兩束,，一束光與水流方向一致，另一束光則與水流方向相反,，兩束光在觀察者處產(chǎn)生干涉條紋,。

斐索實(shí)驗(yàn)計(jì)算出以太被水拖曳的系數(shù)為0.46，而菲涅爾理論預(yù)測的系數(shù)為0.44,，看起來吻合得很好,。斐索實(shí)驗(yàn)似乎說明以太是部分被拖曳的，而這也被認(rèn)為是19世紀(jì)以太學(xué)說的重要?jiǎng)倮?/p>

如果以太是部分被拖曳的,，以太和物體間的相對運(yùn)動就是存在的,，換句話說以太漂移就是存在的，但直到1879年所有試圖探測以太漂移速度的實(shí)驗(yàn)都沒有成功,。1879年麥克斯韋在一封信中指出：

地面上測量光速的方法,，光延同樣的路徑返回，所以地球相對于以太的速度對雙程時(shí)間的影響取決于地球速度與光速之比的平方$v^2/c^2$,，這個(gè)量太小了,，難以觀測。

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)

邁克爾遜干涉儀的原理圖

這封信恰好被邁克爾遜讀到,，他設(shè)計(jì)出了一種方案,，利用相互垂直的兩束光產(chǎn)生干涉的方法來比較光速的差異。上圖是邁克爾遜干涉儀的原理圖,。假設(shè)以太風(fēng)是在橫向的,，則橫向光束傳播一個(gè)來回需要用時(shí)：

而在縱向光束傳播一個(gè)來回需要用時(shí)：

由此可計(jì)算出條紋移動為：

邁克爾遜所用干涉儀的臂長是1.2米，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是30公里/秒,，代入可計(jì)算出條紋移動是0.04個(gè)條紋,。1881年4月邁克爾遜在德國波茨坦完成了他的實(shí)驗(yàn)，但他所觀察到的條紋移動遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)期值,。

邁克爾遜和莫雷的實(shí)驗(yàn)裝置

邁克爾遜和莫雷在1887年在美國克里夫蘭又進(jìn)行了一次精度更高的實(shí)驗(yàn),。他們把光學(xué)儀器安裝在大石板上，石板漂浮在水銀槽上,，可以自由地旋轉(zhuǎn)方向,，光路經(jīng)多次反射延長為11米，預(yù)計(jì)條紋移動最大應(yīng)為0.4條。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果是令人失望的,，他們在論文中這樣寫道：

從圖形可以肯定,，即使由于地球與以太之間的相對運(yùn)動會使條紋發(fā)生位移，這種位移也不可能大于條紋間距的0.01,。

邁克爾遜和莫雷在不同條件（不同季節(jié),、白天或夜晚等）下觀察了很長時(shí)間，但結(jié)果始終是一致的,，即未能發(fā)現(xiàn)地球相對于以太的任何運(yùn)動,。“邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果是對以太部分拖曳學(xué)說的致命打擊,，為保留以太概念,，難道以太是完全被拖曳的,？但如果確實(shí)是這樣,，遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光當(dāng)射到地球表面附近時(shí)，會被地球完全拖曳,，如果真的這樣,，就不可能觀察到布雷德利的光行差現(xiàn)象。

問題已經(jīng)成熟了

各種版本的“邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)”表明,，以太風(fēng)是不存在的,，那么以太假說是否還成立呢。面對這個(gè)難題,，多位物理學(xué)家給出了自己的解釋,。

1892年，洛侖茲發(fā)表了《論地球?qū)σ蕴南鄬\(yùn)動》,，他提出物體在運(yùn)動方向上收縮了,，如果原長為:

則收縮為

1895年，他給出了更精確的公式,，

這樣他就解釋了為什么邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)沒有觀測到地球相對于以太的運(yùn)動,。但為什么物體會發(fā)生這種收縮呢？洛侖茲給出的解釋是,，如果把運(yùn)動物體看作是處在靜止以太中的帶電粒子,，它們之間的相互作用是電磁相互作用，當(dāng)這些粒子運(yùn)動時(shí),，所受洛侖茲力會發(fā)生改變,，從而產(chǎn)生收縮。后來J. J. 湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子,，并確認(rèn)原子總可分為正電部分（盧瑟福模型中發(fā)現(xiàn)這部分是集中分布的,，稱之為原子核），和負(fù)電部分（即電子）。J. J. 湯姆遜的發(fā)現(xiàn)是對洛侖茲理論的重要支持,，自然界中的物體,，包括邁克爾遜-莫雷的實(shí)驗(yàn)裝置總可看作是以太中帶電粒子的集合。

從數(shù)學(xué)的角度,，洛侖茲的工作已經(jīng)非常接近于后來愛因斯坦的相對論,，比如洛侖茲曾得到一組變換，當(dāng)物體在以太絕對靜止參照系中沿$x$軸運(yùn)動時(shí),，

這個(gè)變換后來也被愛因斯坦得到了,，但習(xí)慣上我們?nèi)匀环Q其為洛侖茲變換。洛侖茲關(guān)于運(yùn)動物體的電動力學(xué)從數(shù)學(xué)形式上與愛因斯坦的狹義相對論并無區(qū)別,，但他的理論是基于運(yùn)動電荷的,，是對麥克斯韋電動力學(xué)的發(fā)展，而與古老的運(yùn)動學(xué)無關(guān),。而愛因斯坦的相對論則首先是運(yùn)動學(xué)的,，他推廣了伽利略的慣性定律，并最終革新了我們對時(shí)空的看法,。洛侖茲對邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的解釋依賴于特定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)假設(shè),，雖然這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)后來被J. J. 湯姆遜所證實(shí)，但原則上說愛因斯坦并不需要這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)假設(shè),，就能解釋以太風(fēng)為什么觀測不到,。

比較而言，法國數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家彭加勒則要比洛侖茲更加大膽一些,。1898年,，彭加勒發(fā)表了《時(shí)間的測量》，首次提出,，光具有不變的速度,，在一切方向上都是相同的，他把這一點(diǎn)看作是一條公設(shè),，并認(rèn)為沒有這個(gè)公設(shè)就無法測量光速,。如果我們接受彭加勒的這條公設(shè)，我們自然就得到了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果,。

彭加勒說：“不可能測出重物的絕對運(yùn)動,，或者更明確地說，不可能測出重物相對于以太的運(yùn)動,。人們所能提供的一切證據(jù)就是重物相對于重物的運(yùn)動,。”

1904年9月,，彭加勒在美國的一次學(xué)術(shù)會議上,，在談到相對性原理時(shí)說：“根據(jù)這條原理，對于固定的觀察者或者對于作勻速運(yùn)動或平移運(yùn)動的觀察者來說，物理現(xiàn)象的定律都必然是相同的,，因此,，我們既沒有，也不可能有任何方法判斷我們是否處在勻速運(yùn)動中,?！保ㄟ@就是伽利略的慣性定律）

彭加勒認(rèn)為，伽利略的慣性定律正受到電磁學(xué)理論發(fā)展的沖擊,，但是慣性定律已被日常經(jīng)驗(yàn)所證實(shí),，并“以一種不可抗拒的方式印入到人們健全的感覺中?！被谶@些認(rèn)識,，彭加勒預(yù)言了物理學(xué)的新發(fā)展，他說：“也許我們應(yīng)該建立一門嶄新的力學(xué),，對這門力學(xué)我們還只能窺見它的一鱗半爪,。在這門力學(xué)中，慣性隨著速度增加,，光速將會成為一個(gè)不可逾越的界限,?！痹瓉淼谋容^簡單的力學(xué)仍然保持為一級近似,，因?yàn)樗鼘Σ惶蟮乃俣冗€是正確的，以致在新力學(xué)中還能夠發(fā)現(xiàn)舊力學(xué),。

正如,，愛因斯坦自己所說：“要是沒有我發(fā)現(xiàn)相對論，也會有別人發(fā)現(xiàn)的,，問題已經(jīng)成熟了,。”

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