相对论可信吗?有没有实验依据?

相对论可信吗?有没有实验依据?
相对论可信吗?有没有实验依据?

相对论可信吗?有没有实验依据?
原创][论文] 迈克耳孙-莫雷实验之真相
——一个足可以从源头推翻爱因斯坦相对论的有力证据
陆明华
E-mail：[email protected]
网址：www.wuwuming.fosss.org
( 2006-03-23 首发于人民网科教论坛 )
迈克耳孙-莫雷实验为推翻以太假说做出了不可磨灭的贡献.然而,既然以太假说不能成立,那么,由于迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算始终依赖于以太假说,所以其计算方法也是不可靠的,由此而得出“光速不变,它与地球的运动状态无关”这样的结论显然是不严谨的,同时也是经不起推敲的.但是,“光速不变,它与地球的运动状态无关”这一错误论断却一直沿用至今,并始终是支持爱因斯坦相对论的有力证据.
100年前,爱因斯坦将迈克耳孙-莫雷实验作为建立相对论的可靠支柱.而今,本文将它作为推翻爱因斯坦相对论的有力证据.
1.迈克耳孙-莫雷实验简介
本文有关迈克耳孙-莫雷实验简介的内容都来之于科学出版社1998年出版的大学物理教材《简明大学物理》,特此声明.
在电磁理论发展初期,人们认为光是在所谓“以太”的介质中传播,以太被作为绝对参考系的代表,为了确定绝对参考系（或以太参考系）的存在,历史上许多物理学家做过很多实验,其中最著名的是1881年迈克耳孙探测地球在以太中运动速度的实验,以及1887年他和莫雷所做的更为精确的实验[ ].
1.1.迈克耳孙-莫雷实验的设计思想
如果有一惯性系S’,相对于绝对空间（或以太）沿光速传播方向以速度v运动,那么自S’系观察光的传播速度V ’(光) 为 c－v ,因此如果从地面一点（视地球为近似惯性系）来测量在不同方向上（如相互垂直的方向）传播的光速,则由于地球的运动将有不同的光速值,这样就可以借以判定地球相对于绝对参考系（或以太）的运动,从而找出绝对参考系（或以太）.这正是迈克耳孙-莫雷实验的设计思路[ ].
1.2.迈克耳孙干涉仪
于劈形膜干涉实验可知,劈形膜干涉条纹的位置决定于光程差,只要光程差有一微小的变化就会引起干涉条纹的明显移动.迈克耳孙（Michelson 1852~1931）干涉仪就是利用这种原理制成的,其结构如图 01（图略）所示,M1和M2是两面精密磨光的平面反射镜,其中M1是固定的,它的平面位置可以微调；M2用螺旋控制,可作微小移动,G1和G2是两块材料相同、厚薄均匀而且相等的平行玻璃片.在G1的一个表面上镀有半透明的薄银膜,使照射到G1上的光线分成振幅近于相等的透射光和反射光,因此称为分光板,G1、G2这两块玻璃片与M1和M2的倾角为45°.
由光源S发生的光线,射到G1上后分成两束光线,光线①透过G1及G2到达M1,经M1反射后,再穿过G2经G1上的银膜反射到视场中.光线②从G1的镀膜面反射到M2,经M2反射后,再穿过G1到达视场中.显然,光线①和②是两条相干光线,它们在视场中相遇时产生干涉.
由于分光板G1的存在,使M1相对于镀膜面形成一虚像M1’位于M2附近,光线①可以看作是从M1’处反射的.M1’和M2之间形成一空气膜,光线②通过G1三次,加上G2后光线①也通过三次与G1厚度相同的玻璃片（G2起光程补偿作用）,这样M1’与M2之间空气膜厚度就是光线①和②的光程差（本文作者加注：这可能是《简明大学物理》教材编辑有误,不然的话,就与下面的公式合不起来.如按下面的公式来表达应为：M1’与M2之间空气膜厚度是光线①和②的光程差的一半）.如果M1与M2并不严格垂直,那么,M1’与M2也不严格平行,则在M1’和M2之间形成空气劈形膜,光线①和②形成等厚干涉,这时观察到的干涉条纹是明暗相间的条纹.若入射单色光波长为λ,则每当M2向前或向后移动λ/2的距离时,光线①和②所产生的光程差δ为±2（λ/2）＝ ±λ,就可看到干涉条纹移过一条.所以计算视场中移过的条纹数目ΔN,就可以算出M2移动的距离Δx [ ]
Δx ＝ ΔNλ/2
当M2也固定不动时,假如在某种状态下,能够使得光线①和②产生的光程差的变化值Δδ为λ,就可看到干涉条纹移过一条.那么,计算视场中移过的条纹数目ΔN,就可以算出光线①和②所产生的光程差改变量Δδ
Δδ ＝ΔNλ
同理,如果能测算出光线①和②所产生的光程差变化值Δδ时,就可算出干涉条纹移过的条数ΔN
ΔN ＝ Δδ/λ
1.3.迈克耳孙-莫雷实验的推理过程
如图02（图略）所示,迈克耳孙干涉仪整个装置可绕垂直于图面的轴线转动,并保持光程PM1=PM2=L固定不变,设地球相对于绝对参考系自左向右以速度v运动.当装置处于图示位置时,PM1与v平行,光束①在P、M1间来回所经路线也与v平行,而光速②在P、M2间来回所经路线则与v垂直.可以证明,光束①在P、M1间来回所需时间t1比光速②在P、M2间来回所需时间t2稍长,即t1＞t2.如把整个装置绕垂直于图面的轴线转90°,光束①、②所经路线正好互换,于是光束①所需时间t1就比光速②所需时间t2稍短.因而在转动过程中,就能从望远镜T观察到干涉条纹的移动,经计算可得条纹移动数目为：
ΔN ＝ 2Lv2 /λc2
但出乎意料,虽经多次反复实验,都未观察到条纹的移动.这实验,后经多人改进反复做过,始终没有观察到地球相对于以太（或绝对参考系）运动的效应[ ].
1.4.迈克耳孙-莫雷实验中条纹移动ΔN的计算
由前所述,根据伽利略速度变换,可得
t1 ＝ L/(c－v) ＋L/(c＋v)
＝ 2Lc/(c2－v2 )
＝ 2L/[c(1－v2/c2)]
光束②在P→M2’→P”间所经路程实际上是如图03（图略）所示的等腰三角形的两腰之和.故有
ct2 /2 ＝ [L2＋(vt2/2)2]1/2
经计算可得
t2 ＝ 2L/(c2－v2)1/2
＝ 2L/[c(1－v2/c2)1/2]
两束光的时间差为
Δt ＝ t1－t2
＝2L/[c(1－v2/c2)] － 2L/[c(1－v2/c2)1/2]
＝ (2L/c){(1＋v2/c2＋…) － [1＋v2/(2c2)＋…]}
≈ (L/c)(v2/c2)
于是,两光束的光程差为
δ＝ cΔt
≈ Lv2/c2
若把整个装置转过90°,则前后两次的光程差为2δ,在此过程中干涉条纹移动ΔN条,由上式,有
ΔN ＝ 2δ/λ
≈ 2Lv2/(λc2)
然而,无论进行多少次实验,都未能观察到条纹的移动.因此,当时的研究者得出了如下的结论,即：迈克耳孙-莫雷实验结果表明了不存在绝对参考系,以太假说不能成立；光速不变,它与地球的运动状态无关.人们对这一问题比较认同的看法是：迈克耳孙-莫雷实验是否是狭义相对论的实验基础,学术界说法不一.但该实验及其结果有助于我们接受相对论理论[ ].
以上是《简明大学物理》上关于迈克耳孙-莫雷实验的内容介绍,而以下的内容是本文对《简明大学物理》上关于迈克耳孙-莫雷实验的内容所进行的分析.
2.迈克耳孙-莫雷实验为何始终观察不到地球运动效应呢?
迈克耳孙-莫雷实验的结果否定了光的传播依赖以太这种特殊介质的假说,同时也否定了绝对参考系的存在,这是该实验对物理学所做出的举世公认的最显著的贡献.然而,它对于理论物理还有着更为重要的意义,却并不为人所知,也长期被人们所忽视.那就是,由于迈克耳孙-莫雷实验中条纹移动ΔN的计算过程依赖于以太假说,所以其计算方法本身同样也是不可靠的.如果在当时,人们能够对迈克耳孙-莫雷实验中条纹移动ΔN的计算方法作进一步的探索和研究的话,就不会草率地得出“光速不变,它与地球的运动状态无关”这样一个错误的结论.从而可以有效地遏止像爱因斯坦相对论这样的十分隐密的伪科学理论的产生和发展.
2.1.迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算没有摆脱以太假说的阴影.
当初,迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算依赖于以太假说.光在以太中传播如同声音在空气中传播一样,相对于以太,光速（指光的速率）c恒定不变.按照这样的假设所进行的计算,所得的结果与实验结果完全不符.这除了说明以太假设是错误的以外,同时也说明了依赖于以太假说所进行的迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算也是站不住脚的.
在迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算过程中,始终存在着这样一个参考系,在这个参考系中,光束在传播过程中不管遇到什么情况,光速值始终恒定为c .如图04（图略）所示的参考系中,光束①在P、M1间来回所需时间t1有两部分构成,光程P→M1’所需的时间为t1’,而光程M1’→P”所需的时间为t1” .显然,
t1＝t1’＋t1”
由于在迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算中,光束①在P、M1间来回所需时间
t1＝L/(c－v)＋L/(c＋v)
所以
t1’＝L/(c－v)
t1”＝L/(c＋v)
故得
ct1’＝L＋v t1’
ct1”＝L－v t1”
光程P→M1’所需的时间为t1’,而光程M1’→P”所需的时间为t1” .在图04所示的参考系中,光束①在P→M1’的光程中,光速为c ,在经过以速度v运动着的平面反射镜M1反射后,即在M1’→P” 的光程中,光速值仍为c .同样,如图05（图略）所示,光束②在P、M2间来回所需时间t2有两部分构成,光程P→M2’所需的时间为t2’,而光程M2’→P”所需的时间为t2” .显然,
t2’＝t2”＝ t2/2
在迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算中,光束②在P、M2间来回所需时间
t2 ＝ 2L/(c2－v2)1/2
故得
(ct2/2)2＝L2＋(v t2/2)2
由此可得
c t2’＝[L2＋(v t2’)2]1/2
c t2”＝[L2＋(v t2”)2]1/2
在图05所示的参考系中,速度为c的入射光束一部分经分光板G1反射后成为光束②,由上分析可知,光束②在P→M1’的光程中,光速值为c ,在M2’→P”的光程中,光速值也为c .
综上所述,在迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算中,始终存在着这样一个参考系,在这个参考系中,光束不管遇到什么情况,其速率始终恒定为c .也就是说,在迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算过程中,实际上始终依赖于以太假说.然而,按这样的理论所计算出来的结果与实际结果却完全不符.说明以太假说的确是不能成立的.同时也说明了迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN的计算方法同样也是不可靠的.必须摆脱对以太假说的依赖后对迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN进行重新计算.
2.2.对迈克耳孙-莫雷实验的结果进行重新分析.
本文所谓的重新计算,只是为了在计算过程中摆脱以太假说的影响,完全遵守伽利略的相对性原理对其实验过程进行分析,寻找出彻底摆脱以太假说的有别于过去的全新的计算方法.
迈克耳孙-莫雷实验所研究的对象实际上有两个,一为光束,二为迈克耳孙干涉仪本身.研究内容为它们之间的相互作用.根据伽利略相对性原理,当我们研究确定的彼此相互发生作用的对象时,研究所得的结果是不会随着所选择的参考系的不同而不同.也就是说,我们不管选择什么样的参考系来研究这个问题,所得的结果都是相同的.由于已经否定了以太假说,所以根本不存在对于光的传播有着特殊意义的参考系.我们可以选用任何一个参考坐标系来研究这个问题.因此,本文选用相对于光源静止的参考坐标系S和相对于干涉仪静止的参考坐标系S’这两个坐标系来研究这个问题.看看从这两个参考坐标系中所得出的结果到底是什么?是不是相同?
2.2.1.在相对于干涉仪静止的参考坐标系S’中进行分析
如图06（图略）所示,S是相对于光源静止的参考坐标系,所以光源相对于S坐标系是静止的,光源所发出的光,其速率相对于坐标系S为c；而S’是相对于干涉仪静止的参考坐标系,在S坐标系中以速率v沿x轴的正向作匀速直线运动.根据伽利略速度变换可得相对于S’ 坐标系的S坐标系、光源及光的速度
V’(S)= V’(光源)=－v
V’(光)=c－v
干涉仪在S’ 坐标系中是静止的,入射光束的速率为c－v,光束在P处穿过P后形成光束①,速率仍为c－v.由于相对于反射镜M1入射光束的速率为c－v,故其反射光束的速率也为c－v.同理,当光束在P处经P反射到视场时,光束的速率也为c－v.设光束①在P 、M1之间来回传播所需的时间为t1,光束①从P 到M1所需的时间为t1’； 光束①从M1到P所需的时间为t1”.显然
(c－v) t1’ = L1
(c－v) t1”= L1
t1’ = L1/(c－v)
t1”= L1/(c－v)
由此可得,光束①在P、M1间来回所需的时间为
t1＝t1’＋t1”
＝ L1/(c－v) ＋L1/(c－v)
＝ 2L1/(c－v)
如图07（图略）所示,光束②是进入干涉仪的光束在P处经P反射而成的,由于入射光束的速率相对于P为c－v,故经P反射的光束②的速率也为c－v.同理,经M2反射后,光束②的速率仍为c－v.在回到P处时穿过P后进入视场与光束①相会合.其速率仍然为c－v.设光束②在P 、M1之间来回传播所需的时间为t2,光束②从P 到M2所需的时间为t2’； 光束②从M2到P所需的时间为t2”.显然
(c－v) t2’ = L2
(c－v) t2”= L2
t2’ = L2/(c－v)
t2”= L2/(c－v)
因此,光束②在P、M2间来回所需的时间为
t2＝t2’＋t2”
＝ L2/(c－v) ＋L2 / (c－v)
＝ 2L2 /(c－v)
由此可见,两光束的时间差为
Δt ＝t1－t2
＝ 2L1/(c－v) －2L2 /(c－v)
＝ 2(L1－L2)/(c－v)
＝ 2Δx /(c－v)
于是,两光束的光程差为
δ＝ V’(光)Δt
＝ (c－v)Δt
＝ 2Δx (c－v) /(c－v)
＝ 2Δx
由此可见,两光束的光程差与光速无关,与干涉仪的运动速度无关,只与干涉仪内部PM1与PM2的距离差值Δx有关.也就是说,只要干涉仪相对于光源不作急加速运动或者快速旋转运动的话,那么,不管是把整个装置转过90°,还是180°,只要干涉仪内部PM1与PM2的距离差值Δx不变,两光束所产生的光程差也不会发生改变,就自然观察不到任何干涉条纹的移动了.这样的分析显然与实验的结果是相吻合的.
那么,以上的分析结果是不是对于相对于干涉仪静止的参考坐标系S’有着特殊的依赖呢?下面,本文继续将这个问题摆在相对于光源静止的参考坐标系S中进行分析.
2.2.2.在相对于光源静止的参考坐标系S中进行分析
如图08（图略）所示,S是相对于光源静止的参考坐标系,所以光源相对于S坐标系是静止的,光源所发出的光,其速率相对于坐标系S为c；干涉仪在S坐标系中以速率v沿x轴的正向作匀速直线运动.在坐标系S中干涉仪及光的速度
V (干涉仪)= v
V (光)=c
在坐标系S中,射入运动着的干涉仪的光束速率为c,光束在P处穿过分光板G1后形成光束①,速率仍为c.由于干涉仪以速率v与光束同向运动,当干涉仪由PM1运动到P’M1’时,相对于反射镜M1’,其入射光束的速率为c－v,故相对于反射镜M1’的反射光束的速率也为c－v.因此,相对于坐标系S,经反射镜M1’反射的光束速率就为(c－v)－v.光束①返回到P”处就被反射到视场中,由于光束①返回到P”处时相对于运动着的P”的速度为c－v,所以反射进入视场的光束相对于运动着的P”的速度也为c－v,而相对于坐标系S,反射进入视场的光束的速率应为[(c－v)2＋v2]1/2.如图08（图略）所示,设光束①在P 、M1’和P”之间传播所需的时间为t1,光束①从P 到M1’所需的时间为t1’； 光束①从M1’到P”所需的时间为t1”.那么
ct1’= L1＋v t1’
[(c－v) －v]t1”= L1－v t1”
算得
t1’ = L1/(c－v)
t1”= L1/(c－v)
由此可得,光束①在P、M1’ 和 P”之间传播所需的时间为
t1＝t1’＋t1”
＝ L1/(c－v) ＋L1/(c－v)
＝ 2L1/(c－v)
如图09（图略）所示,光束②是进入干涉仪的光束在P处反射而成的,由于入射光束相对于运动的P的速率为c－v,故经P反射的光束②相对于运动的P的速率也为c－v,且相对于运动的P来说方向与入射光速相垂直,因此,相对于坐标系S,经P反射的光束②的速率应为[(c－v)2＋v2]1/2.经M2’反射后,光束②的速率为[(c－v)2＋v2]1/2.在回到P”处时穿过P”后进入视场与光束①相会合.其速率仍然为[(c－v)2＋v2]1/2,如相对于运动的P来说,其速率仍应为(c－v).如图09（图略）所示,设光束②在P 、M2’和P”之间传播所需的时间为t2,光束②从P 到M2’所需的时间为t2’； 光束②从M2’到P”所需的时间为t2”.由图09可知
(PM2’) 2 = (P’M2’) 2＋(PP’) 2
(M2’P”) 2 = (M2’P”) 2＋(P’P”) 2
那么
{[(c－v)2＋v2]1/2 t2’ }2 = (L2)2＋(v t2’ )2
{[(c－v)2＋v2]1/2 t2” }2 = (L2)2＋(v t2” )2
计算可得
t2’ = L2/(c－v)
t2”= L2/(c－v)
因此,光束②在P、M2’和P”之间传播所需的时间为
t2＝t2’＋t2”
＝ L2/(c－v) ＋L2 / (c－v)
＝ 2L2 /(c－v)
由此见,两光束的时间差为
Δt ＝t1－t2
＝ 2L1/(c－v) －2L2 /(c－v)
＝ 2(L1－L2)/(c－v)
＝ 2Δx /(c－v)
光束①和②进入干涉仪视场后相对于坐标系S的速率均为[(c－v)2＋v2]1/2.然而,由于只有当观察者与干涉仪保持相对静止时才能对干涉仪进行观察,所以进入干涉仪视场的光束的速率只能选择相对于干涉仪的速率才与事实相符.光束①和②进入干涉仪视场后相对于干涉仪的速率均为c－v .于是,两光束的光程差为
δ＝ (c－v)Δt
＝ 2Δx (c－v) /(c－v)
＝ 2Δx
由此可见,在相对于光源静止的参考坐标系S中进行分析,尽管相对光速有所不同,但同样也得出了在相对于干涉仪静止的参考坐标系S’中进行分析所得出的结论.
3.结论
由以上对迈克耳孙-莫雷实验结果的重新分析可以得出如下结论：迈克耳孙-莫雷实验的条纹移动ΔN取决于两光束的光程差的改变量Δδ,而两光束的光程差的改变量Δδ取决于两光束的光程差δ,而两光束的光程差δ,相对于任意一个惯性参考坐标系S来说,与光速VS(光)无关,与干涉仪的运动速度VS (干涉仪)也无关,只与干涉仪内部PM1与PM2的距离差值Δx有关.也就是说,在迈克耳孙-莫雷实验的过程中,只要干涉仪相对于光源不作急加速运动和快速旋转运动的话,那么,不管把整个装置转过90°还是180°,只要干涉仪内部PM1与PM2的距离差值Δx不变,两光束所产生的光程差也不会发生改变,就自然观察不到任何干涉条纹的移动了.这就是迈克耳孙-莫雷实验为何始终观察不到地球运动效应的真正原因.
在以上对迈克耳孙-莫雷实验结果的分析过程中,本文唯一遵循的就是伽利略相对性原理.也就是说,本文在以上的分析中只有一个前提,那就是假设光的传播必须遵守伽利略相对性原理,而在这样的前提下做出的分析所得的结果恰恰与实验结果完全吻合.而一百多年前所作的分析就是因为并没有完全遵守伽利略相对性原理,始终不能摆脱以太假说的影响.所以其分析的结果才与实验结果不符.这一实验再一次证明了伽利略相对性原理所揭示的规律具有普遍的适用性.原先认为光的传播规律特殊并不符合伽利略相对性原理的观点是站不住脚的.这一实验充分证明了光的传播也完全遵循伽利略相对性原理.
爱因斯坦依据迈克耳孙-莫雷实验的结果草率地得出光速对于所有惯性观测者都一样的结论,并把建立在如此意义上的光速不变作为一条基本原理,于此推导出洛伦兹变换来代替伽利略变换,在此基础上才建立起狭义相对论和广义相对论.由此可见,爱因斯坦相对论不但没有科学理论的支持,而且也没有科学实践的支持.可以说,爱因斯坦相对论是有史以来隐藏最深的伪科学理论.同时也是仍在不断发展着的并且是目前体系化程度最高的伪科学理论体系.
100年前,爱因斯坦将迈克耳孙-莫雷实验作为建立相对论的可靠支柱.而今,本文将它作为推翻爱因斯坦相对论的有力证据.
后记：
在人类探索未知世界的历程中,迈克耳孙-莫雷实验给予人们什么启示呢?它让人们产生了对科学本身的反思.技术侧重于知识和方法,而科学侧重于精神和态度.科学的本质可以概括为实事求是的探索精神和脚踏实地的认真态度.如果离开了实事求是和脚踏实地这两点,那么科学技术就只能剩下技术两字了.