《人類科學技術史-327》經(jīng)典物理學的內(nèi)在矛盾（下）

經(jīng)典物理學的內(nèi)在矛盾（下）

1881年，美國物理學家麥克爾遜用他自己發(fā)明的干涉儀進行了第一次實驗。麥克爾遜出生于波蘭，曾在柏林和波斯坦作過亥姆霍茲的獎學金研究生。1887年他與莫雷合作改進了這個實驗，使用他親自設計的高精度鏡式干涉儀，大大提高了實驗的精度。單色光源S發(fā)出的平行光束射到45°角放置于O處的半鍍銀分光板上，被分成互相垂直的反射和透射兩股光束。透射光沿OA臂方向到達反射鏡A后被反射回來；反射光沿OB臂方向到反射鏡B后反射回來。這兩股光束經(jīng)O處分光板的透射和反射到達觀測屏D處，兩條光路上相差的光程由補償板L補償。實驗時，先讓干涉儀的OA臂與地球相對"以太"運動的方向平行，另一臂與之垂直。按經(jīng)典的理論，光速各向是不等的。地球沿OA臂方向相對"以太"運動，地球上的觀測者看來，以太沿AO方向流動，光從O傳播到A如逆水行舟，速度應為C-V，即光在靜止的以太參考系中的速度減去地球運動的速度；光從A返回O則如順水行舟，傳播速度為C＋V。而沿OB臂傳播的光束如橫水行舟。由計算可得到，兩束光傳播的時間差為△T，在觀測屏上將會看到兩股相干光束的干涉條紋。然后，將整個干涉儀轉過90°角使OA臂垂直于地球運動的方向，由計算，可得此種情況下，兩股相干光束傳播的時間差為另一值△T'。前后兩種情況下的時間差的變化量將會引起觀測屏上干涉條紋的移動。

麥克爾遜和莫雷當時用納光作實驗，并采用多次反射法增加干涉儀兩臂的實驗長度達11米。將有關數(shù)據(jù)代入干涉條紋移動值的計算公式后，求得干涉儀旋轉前后，干涉條紋應移動將近半個條紋，也就是說，旋轉前的明條紋應基本成暗條紋，而暗條紋變明。但是，麥克爾遜和莫雷的實驗并未觀察到預期的干涉條紋的移動。他們在一天中的不同時間，一年中的不同季節(jié)并在地球上的不同地點多次重復了這一實驗，而且實驗本身的精度無可挑剔，但是，結果都是相同的。許多人重復了這個實驗，也都觀測不到預期的條紋移動。這個實驗的結果被稱為"零結果"。

實驗的"零結果"振動了物理學界。人們提出了各種各樣的假說試圖解釋這一"出人意料"的結果。會不會是地球正好靜止于以太的海洋中，而使地球與以太之間的相對運動速度始終為零呢？如果接受這種設想，就意味著地球在整個宇宙中處于一種特別優(yōu)越的地位，但是，這種地位從哥白尼時代便被否定了。會不會是地球拖動著"以太"一起運動，所以才沒有"以太風"呢？但菲索實驗等其他實驗事實又否定了這一推斷。

還有人提出光速與光源運動有關的理論，認為，運動光源發(fā)出的光的速度等于光相對于光源的速度與光源運動速度的矢量和，而光相對任何光源的速度總是C。這種理論尚可以解釋用地面上的光源所作的麥克爾遜-莫雷實驗，但后來用日光為光源進行麥克爾遜-莫雷實驗，得出的"零結果"，也否定了這一理論。其他實驗也證明了，光速與光源的運動速度無關。

斐茲杰勒(1851-1901)于1889年，荷蘭物理學家洛倫茲(1853-1928)于1892年先后提出"長度收縮"的假說，認為以速度V相對"以太"快速運動的物體在運動方向上將按照1V2/C2的比例產(chǎn)生一定的機械收縮("洛倫茲-斐茲杰勒收縮")。這種設想可以十分巧妙地調(diào)和了靜止以太理論和麥克爾遜-莫雷實驗之間的矛盾，解釋了麥克爾遜-莫雷實驗，同時又保留了以太坐標系的特殊優(yōu)越地位。洛倫茲在麥克斯韋電磁理論的發(fā)展中曾作過大量杰出的工作，這次提出"長度收縮"假說似乎又解決了電、磁、光載體的一大難題，但他的工作并未到此結束。他認為，要解決麥克斯韋方程在伽利略變換下不具有協(xié)變性的困難，必須尋求一種不同慣性系之間的數(shù)學變換。于是，在提出長度收縮因子后，他又進一步區(qū)分了對于優(yōu)越坐標系直接可用的真正的絕對時間和適用于其他坐標系的"地方時間"，把伽利略變換公式改造為變換公式。這就是著名的洛倫茲變換式。由這種變換關系，可以保證麥克斯韋方程在所有慣性系中具有相同的形式。這樣，經(jīng)典理論所面臨的矛盾、困難似乎基本得到解決了。但是，洛倫茲的"長度收縮因子"和"地方時間"的引進，是一種人為的設想和滿足數(shù)學上需要的作法，帶有明顯的目的性假說的性質，從長遠看，是不可能使理論物理學界感到滿意的。

法國科學家彭加勒(1854-1912)全面研究了洛倫茲變換的數(shù)學內(nèi)容，并進一步論證了在洛倫茲變換下麥克斯韋方程的協(xié)變性。他認為，解決電磁學所面臨的困難應該找到一些基本的假設，而不是像洛倫茲那樣引入包括"存在靜止以太"在內(nèi)的11種假設。他以麥克爾遜-莫雷實驗為例來說明，無論觀察者固定還是勻速運動，物理規(guī)律都是相同的，即不可能觀察到絕對運動。

1904年，他把這一觀點稱為相對性原理。彭加勒敏銳指出，物理學正面臨著一場危機，"應該建立一個全新的力學，關于它，我們還只能是見到了一點跡象。其中，慣性隨著速度的增加而增加。光速將成為一個不可逾越的極限"，"較簡單的普通力學，只是在速度不太高時成立，它保持著一級近似。所以在新的力學中，仍然可以找到舊的動力學"。英國物理學家拉摩等和彭加勒一樣，也提出了一些接近狹義相對論的重要思想。但是，他們均未能徹底擺脫牛頓絕對時空的傳統(tǒng)觀念的束縛，誰也沒有像愛因斯坦那樣意識到"整個物理學的基礎可能需要從根本上加以改造"，因此，他們均未能作出根本性的理論突破。

麥克爾遜-莫雷實驗之后的幾十年中，還有人設計了一些其他實驗以測定地球相對以太的絕對運動，得到的也都是"零結果"。另外，以太這種神秘的、不可捉摸的物質具有一系列令人費解的、相互矛盾的性質：遙遠的星光可以傳播到地球上，那么作為光的傳播媒質的"以太"應當充滿整個宇宙，包括真空和所有物質的分子和原子內(nèi)部，整個宇宙也就是一個具有絕對透明性質的以太的海洋；宇宙中的天體，包括地球、太陽，運動中并未受到以太的阻力，因此，必須假定充滿宇宙的"以太"極其稀疏，密度幾乎為零；而光是橫波，所以其載體，"以太"，應是具有固體的性質的彈性介質；光速非常大，以太的彈性系數(shù)應該極大，是絕對剛性的，其硬度應遠遠超過最優(yōu)質的鋼。這些相互矛盾的性質是很難統(tǒng)一起來的。

以太漂移實驗的零結果以及以太必須具備的極其混亂、矛盾的性質使理論物理學家陷入難以自拔的思維困境。

1900年4月27日，在科學界享有厚望的開爾文勛爵在英國皇家學會上發(fā)表了《熱和光的動力理論上空的十九世紀烏云》的演講，他滿意地回顧19世紀物理學的成就后也不得不承認，物理學"晴空中還飄浮著兩朵烏云"，一是與比熱和熱輻射有關的理論問題，他認為有望在20世紀的開頭獲得解決，另一則是麥克爾遜-莫雷實驗的"零結果"，他認為尚看不到任何可能解決的途徑。開爾文勛爵眼光銳利地瞄準了這兩朵烏云，但他和當時陶醉于經(jīng)典物理學成就的其他人一樣，都未能預見到，這兩朵非同尋常的"烏云"正預示著以量子論和相對論為標志的物理學革命的風暴。