以太漂移二级效应零结果与收缩假设

麦克斯韦在 1867 年指出，在地上做测量光速的实验，因为让光在同一路径上往返，地球相对于以太运动的影响仅仅表现在二次效应上，要用实验测出来是极其困难的。迈克耳孙(A.A.Michelson，1852—1931)力图克服这个困难，他想检测出地球相对以太的运动，进一步确证菲涅耳的静止以太说。

图 11—5

1881 年，他用自己发明的干涉仪作了这个实验。以后又在 1887 年与莫雷(E.W.Moley，1838—1923)合作进行了更精确的测量。这一装置如图11-5 所示。[1]以光束 1 从 M 到 M1 的往返时间为

t1 =

L

c + v

  • c − v

= 2L

c(1 − v 2 / c2 )

(11.1.11)

光束 2 从 M 到 M2 的往返路径如图所示，所需时间为 t2。因为

 ct  2  vt  2

l 2 =  2  −  2 

所以 t 2

2 2

= 2L

c 1− v2 / c2

(11.1.12)

仪器转动 90°所引起的两光束的时间差的变化为

∆t = 2( t

1 − t 2

4L  1 1 

) =  2 2 

c  1 − v / c 

≈ 2Lv2

(11.1.13)

c3

预期的干涉条纹的移动量为

c∆t 2Lv 2

λ λc2 (11.1.14)

将以上数据代入，估计可以测得δ=0.4 个条纹移动。但是，迈克耳孙和莫雷进行观察时却看不到这样的移动。在这个实验中，他们把仪器安装在很重的石台上以维持稳定，并把这一装置浮在水银上使它可绕水平轴平稳地转动，使他们的仪器能观察到 0.01 个条纹的移动。所以他们得出结论：“实

际观测到的条纹移动肯定小于预期值的

1 ，或许小于

20

1 。”

40

迈克耳孙对这一实验结果感到十分失望，但并没有动摇他对以太说的信赖。他用拖动假设来解释，认为地球运动时，地球表面的以太并不保持静止，而是随地球一起运动。因为这一解释与光行差现象有矛盾，所以不为世人所接受。由于这一实验与静止以太论不相容，所以引起了物理学界的震惊。但是有的书把这一实验说成是相对论赖以产生的判决实验就不妥了。从当时的历史实际来说，人们对菲涅耳的理论是极为信赖的，不少人认为迈克耳孙-莫雷实验失败了，其理由是看不到预想的结果。总之，谁也没有据此判断菲涅耳的静止以太被否定了。

为了解释迈克耳孙-莫雷实验的零结果，1889 年，爱尔兰的物理学家菲兹杰惹(G.Fitzgerald，1851—1901)提出了收缩假设。[3]他指出，如果物质是由带电荷的粒子组成，一根相对于以太静止的量杆的长度，将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定，而量杆相对于以太运动时，组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变这些粒子之间的平衡间隔，量杆就会缩短，缩短的程度“取决于物体的运动速度对光速的比率的平方”，

1

即1 −

v2  2

2

。这样，迈克耳孙 - 莫雷实验所使用的仪器，当它指向地球

 c 

运动的方向时就会缩短，而缩短的程度恰好使我们无法用迈克耳孙实验探测到以太漂移。

1892 年，荷兰物理学家洛伦兹(H.A.Lorentz，1853—1928)独立地提

出了他的收缩假设。[4]他说：这个实验(迈克耳孙-莫雷实验)已经使我困惑了一个很长的时间，最后我想到了一种使它的结果和菲涅耳理论

L v 2

相协调的一种形式.”他依据迈克耳孙实验中两光束的时间差 提

c3

出处于地球运动方向的那条臂缩短的假设.他说如果这条臂缩短到L

 v2

 v  2

1 −

2c2 , 那么, 精确到

c 

, 则△t = 0, 迈克耳孙实验的结果就可以圆满

地解释了.

他认为这一收缩是由于分子力引起的，并假定分子力也象电力和磁力那样通过以太而传递，由于物体平移可能影响分子力，从而使物体大小发生变化。在后来写的电动力学论文中，洛伦兹依据他所导出的力的变换式，证明了他的收缩假设。