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admin 2019-09-23 阅读:127

回看前史,咱们重视最多的是那些在科学史上取得成功的人物、试验和理论,这些成功让咱们把握和了解了一些事物的新现象、新规则和对世界的新知道,但科学的前进并非一蹴即至,而是从许多的失利中一步步走出来的。乃至有些失利的试验更是直接促进了科学的开展,咱们今日就回到19世纪后半叶,了解一个在人类科学进程中闻名的“失利”试验,这个试验的失利直接导致了量子力学狭义相对论的研讨热潮。

对光的了解,牛顿“微粒说”

在四大根本力中,万有引力是第一个被人类发现和描绘的力,正如牛顿在17世纪提出的万有引力定律,解说了地球上和太阳系内天体的运动。几十年后,也便是1704年,牛顿对光的实质也提出了自己的观念,便是咱们熟知的微粒说,该理论以为光是由“粒子”组成的,可是这个“粒子”并不是咱们现在以为的粒子,它是刚性粒子,是物质的细小颗粒,它们沿着直线运动。

微粒说解说了许多其时现已调查到的现象,包含白光是一切其他色彩光的组合。但随着时刻的推移,许多试验也提醒了光的动摇性质,牛顿的一同代人克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)提出了另一种解说。(其实光的动摇现象咱们日常日子中有一个小试验就能够调查到,拿一张纸放在阳光下,咱们很明显就能看到纸影子的边际呈现出模糊状,这是微粒说无法解说的现象。)

惠更斯的动摇说

在1678年,惠更斯在法国科学院宣布讲演揭露对立牛顿的微粒说,他以为每一个光源点宣布的光,包含向前移动的光,都表现得像一个波,每一个光波都有一个球形波阵面。惠更斯对立牛顿的观念是:假如以为光是一种微粒,那么两条光线在穿插的时分就会发作磕碰,然后改变方向,可是日子中咱们并没有调查到这个现象。

由于其时的许多试验不论是经过微粒说仍是惠更斯原理都能得出相同的试验成果,在加上其时牛顿在科学界的位置和形象是无人能撼动的,惠更斯也没有活过牛顿,所以动摇说也就夭亡了。

微粒说也就顺势连续一个多世纪,在1799年的进行的一个试验总算让动摇说妙手回春。

科学家们将白光中不同色彩的光分离出来,使其经过单缝、双缝或衍射光栅,调查到了只要波才干发作的图画。这些图画中有波峰有波谷,这让人们马上联想到了众所周知的波涛,比方水波。这个试验便是闻名的杨氏双缝干与,是由闻名的富二代科学家托马斯·杨完结的,这个试验也一举奠定了光的动摇说。

光传达的介质“以太”

其时人们知道,水波是以水为介质传达的。假如没有水,就不会有浪!

一切已知的波都是如此:声响是经过压缩空气和轰动传达的,也相同需求介质才干经过。假如拿走一切的物质,声响没有传达的前言,因而其时人们就说:“把你扔进太空,是没有人能听见你尖叫的。”那么光波呢?

19世纪60年代麦克斯韦更是凭仗自己特殊的数学才能算出了光是一种电磁波,那已然都是波,人们信任必定存在一种物质来作为光波传达的前言。其时没有人能丈量这种介质,也没有人知道它是什么,但人们深信它的存在就起了个名字叫:以太

现在是不是觉得其时的人们完全是在胡乱猜想,没有科学的严谨性?不是的,其实咱们现在也这么干,例如:暗物质。事实上,这正是表现了科学思想的一切特征,不管是以太、仍是暗物质都是建立在从前已有的科学根底之上,仅有的差异便是咱们对以太提出了检测它是否存在的方法。

前史上最闻名的“失利”试验

道理其实很简单,幻想一下,你把一块石头扔进上图汹涌的河里,假如水流不动那么激起的波涛,将以特定的速度移动

假如水流向下游移动,由于承载波涛的介质在移动,所以顺着水流的波涛会移动的更快。逆流的波涛会移动的更慢。

尽管人们从未被发现或检测到以太,但阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊(Albert A. Michelson)将相同的原理应用于光波在以太中穿行,并规划了一项奇妙的试验。

上图咱们能够看到地球在轨迹上的一些状况,以太是肯定停止空间的结构,独立于物质而存在,所以咱们地球在轨迹上运动时,会迎面吹来相同速度的“以太风”,可是假如以太作为光在真空中传达的前言的话,咱们就能够幻想以下上文中河流扔时分的景象。

原则上,假如咱们丈量地球在公转轨迹上“上行”、“下行”或笔直于以太时,光的移动速度是否有改变,咱们就能够勘探到以太是否存在,可是,光速大约是每秒30万公里/秒,而地球的轨迹速度只要30公里/秒,这在19世纪80年代还无法丈量这个细小的不同。

但迈克尔逊规划了一个妙计试验。

1881年,迈克尔逊创造并规划了一台干与仪。干与仪的规划根底是:光是由波构成的,本身会发作干与现象。假如取一个光波,把光分红两个相互笔直的重量(两束光相对于以太的运动是不同的),让两束光走完全相同的间隔,然后反射回来,咱们就会调查到两束光发作的干与图样是否有位移!

下图中,假如整个设备相对于以太是停止的(不可能停止),它们发作的干与图样就不会发作位移,可是假如整个设备向一个方向移动的起伏比另一个方向大,干与图样就会发作位移。

地球除了在以太中穿行,并且还在自转,旋转的地球会以不同的视点朝向以太,所以迈克尔逊在一天中进行了屡次试验。开始的规划无法勘探就任何干与条纹的位移,这就开始说明晰试验失利。

但开始的干与仪臂长只要1.2米,精度遭到质疑,试验成果并不足以让人们服气。在接下来的六年里,迈克尔逊和爱德华·莫雷一同规划了一个10倍大(也便是10倍准确)的干与仪,他们两人在1887年进行闻名的迈克尔逊-莫雷试验。他们估计全天会有多达0.4条条纹移动下图是1887年的原始成果!

这个无效的成果,证明晰以太并不存在,没有什么以太风,也没有光传达的介质,这个0发现实际上是现代科学的一个巨大前进,由于它意味着光与咱们所知的其他波有实质的差异。这也证明晰光速在不同惯性系和方向上都是相同的,也直接撼动了经典物理学的肯定时空观,为狭义相对论的诞生供给了一个最根本的原理,光速为什么稳定?18年后,爱因斯坦的狭义相对论出现时,也顺带处理了这个问题。

迈克尔逊-莫雷试验的研讨成果在科学史上具有革命性的含义,这个试验也是前史上仅有一个由于没有任何发现而取得诺贝尔奖的试验。