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数理化通俗演义: 第六十回小实验捅破旧理论，巧裁缝难补百衲衣——以太说的被否定
上回说到普朗克等十多位物理学家在布鲁塞尔高高兴与地聚会，普朗克问爱因斯坦何不索性入伙，全力来攻量子论。爱因斯坦提醒他不要忘了物理学的天空上除“黑体辐射”外还飘着另一朵乌云。 各位读者，你道这朵乌云是什么，这便是那个权威的“以太说”，突然遇到了挑战。 原来自从牛顿创立经典力学之后，这物理学的大厦真是金碧辉煌，美妙之极，无以复加。难怪当年普朗克的老师都劝他再不要在物理研究上打什么主意。牛顿力学是一把万能钥匙，好像凡自然界的现象都能用它一一解释。你看偌大个宇宙都在牛顿的手中掌握，伸手一指，那隐匿极深的海王星就赶快前来报到，再莅指一算，外出76年的哈雷雪星也要按时回来复命。另一面它又成功地解释了我们生活中诸如拉车、走路、流水、刮风等小至鸡毛蒜皮一样的问题。于是力学的分支越来越多，如流体力学、刚体力学、弹性力学等等，人们也越来越愿意把一切运动变化都归结为简单的力，如：“化学亲和力”、“生命力”、“光反射力”、“电接触力”等。彷佛世界上的一切都可以套用机械的力学来解释了。 牛顿的“力”这样神奇，那么它通过什么传递呢？推车得用手抓住车把，碧波荡漾离不开水，声波传播离不开空气。可是，地球离太阳一亿五千万公里，这之间既无水也无空气，太阳借什么媒介来施展自己的引力呢？物理学家们又想出一个假设，说宇宙间充满一种很稀薄的物质，天体或其他物体间的作用就靠它作媒介，笛卡儿借用古希腊的哲学名词，叫它为“以太”。此说一起，许多难题果然迎刃而解，引力靠以太传播自不必说，法拉第的电磁力也离不开它，麦克斯韦证明光也是一种电磁波，当然光的传播也就离不开它了。更重要的是，以太的存在正好说明牛顿的绝对时空观，有了这么一个绝对静止的以太才会有地球、太阳等一切相对于它的运动，要不那些星球的运动拿什么来参照？以太成了19世纪中期物理学家们最温柔的保姆，成了他们可以信赖的上帝。 但是总有一些聪明、勇敢的人在一种迷信和一片虔诚中首先提出问题。这以太既然无处不有，为什么我们就感觉不到呢？另外，光波是一种横波，横波必得由固态介质传递，以太即该是固态了，但这样一来就等于我们被浇铸在一个透明的以太玻璃球里，可是又不影响我们随意的动作——这真是太不可思议了。 有疑必定有问。事有凑巧，1884年，那个治学严谨，轻易不外出讲学的汤姆生终于被请到美国来作报告了。美国当时比起欧洲来科学很是落后，它就想方设法请名家来讲学，以后还重金收买人才。汤姆生的来到自然是一大喜讯，报告那天科学界人士济济一堂。报告休息时大家又挤到这个世界名人跟前七嘴八舌地问这问那，自然也提到那个神秘的以太问题。汤姆生说：“以太到底是否真有其物，现在还不能定论。我们只知道地球是以每秒30公里的速度绕日运行，那么迎面就应该有一股以太风不断吹来。如谁能用实验证明了这股风的存在也就证明了以太的存在，但这要靠实验。”又是说者无心，听者有意。这时在人群里有一无名青年，听到权威汤姆生的这句话心中不由一动，一个新研究课题便喀嚓一声在脑子里挂上钩了。 这个青年就是迈克尔逊(1852－1931)。他原是德国人，两岁时父母带着他飘洋过海到美国来谋生。十七岁时他考进海军学校，在海军服役期间省吃俭用积攒了一点钱，便于1881年到柏林、巴黎等地留学了两年，然后又重返美国。真是人各有好，迈克尔逊被光的各种现象迷得如醉如痴，在欧洲到处拜师访书，专解这方面的谜。他在欧洲还亲自研制了一台可以测定微小长度、折射率和光波波长的光的干涉仪。就是用这台干涉仪他于1902年测算出了猎户星座一等变光星的直径为两亿四千万英里，大约是太阳直径的三倍，这是天文学史上第一次准确地测量星球。运用光来搞测量实在是迈克尔逊的拿手好戏。 再说那天迈克尔逊在人群里听了汤姆生的话，心中一动，回来后就开始研究找以太的办法。他想地球这只小船在以太海洋里以每秒三十公里的速度航行，我如果向逆着以太风的方向和垂直于以太风的方向同时射出一种东西，根据经典力学原理它们的合成速度肯定不同。如果能测出这种差别不就证明以太确实存在了吗？用什么东西来做这种实验呢？这当然是它得心应手的武器－光。他这样不断地研究改进，到1887年终于在莫雷的合作下完成了物理学史上那个很著名的实验。这年爱因斯坦才八岁，他万没想到一个物理学前辈现时正在为他向相对论进军扫清道路呢。 迈克尔逊的实验装置是这样的，在一个大水银池中飘着一块坚固的大理石板，这是为了既能灵活转动又不致摇晃，从石板一侧发出的一束光打到石板中心的玻璃上。玻璃成斜角，上面有一半镀一层银，这样射来的光线就被分成两束，一束照直穿过，一束反射到与光线来路垂直的方向。这两束光走过相同的距离后分别在石板边的两面镜子上再反射回来，汇合在望远镜头里。因为光线分成90°角，一束是逆以太而行，那一束必是垂直于以太而行，两束光的速度便应该有差别。这可以根据它们在望远镜头里汇合时的干涉现象来确定。读者也许要问，光速这样快，你这块石板能有多大，就是有差别也难测出。但是你要知道地球也在以每秒30公里的速度前进，那么逆着以太的光和横向的光每秒也应相差30公里。而迈克尔逊这个制造仪器的高手，他的干涉仪就是一亿分之一秒的光行差也能测得出来。 再说迈克尔逊和莫雷架起这台仪器，他们先测了一次，从望远镜里看正是最大亮度，这说明两束光是同时返回的，它们的速度相同。迈克尔逊又把仪器转一个角度，这块大石板在水银上极平稳灵活地滑动一下，镜头里的光仍是和刚才一样的亮。他真有点纳闷，乾脆把石板轻轻推着绕着圈观察。可是无论他将仪器转成什么角度，看到的结果仍然不变。他眼睛都看疼了，便喊莫雷继续来看，莫雷又把那个石板像推磨似地推了几圈，喊道：“迈克尔逊先生，仍然看不出什么差别，怕是我们的仪器灵敏度不够吧？” “不可能。这台仪器我已经把它调到连植物在一秒钟内的生长量都可以观察到。如果有以太存在，每秒30公里的光行差是一定能够反映出来的。” “那就说明以太在随着地球作百分之百的移动，我们应该尽量离开地面，到高空试一试是否有以太漂移。” 但是迈克尔逊和莫雷把他们的装置搬到高山顶上，甚至随着氢气球上升到半空，还是测不出这种以太引起的光行差。结论只可能有两个：要么是地球根本就没有动，要么以太这东西根本就不存在。但无论那一条都是一说出口都教人目瞪口呆的新闻。这天体运动经哥白尼发现到牛顿最后证明是决不能怀疑的。相比之下倒是以太说还有一点漏洞，看来宇宙间根本就不存在什么以太。迈克尔逊本是想以精确的实验为以太的存在提供证据，不想结果适得其反，却从根本上否定了以太。一个小小的实验却戳破了人们想像中的宇宙。 正是： 本欲门上去贴金，手只一碰戳破门， 原来大门是纸糊，何必为它费苦心！ 这迈克尔逊实验实在精巧，后来爱因斯坦曾有一段话专门评价他道：”迈克尔逊实验得出了一个任何人都应当理解的真正伟大的结果。我总认为迈克尔逊是科学中的艺术家。他的最大的乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛。他受过的数学或理论训练很少，又没有理论方面的同事的指导，而能够设计出迈克尔逊－莫雷实验，那是非常惊人的。“ 再说迈克尔逊的实验结果一宣布立即在物理学界引起一场轩然大波，本来万里无云的蓝天上突然出现了一朵乌云。因为以太一旦被否定，城门失火，殃及池鱼，那牛顿力学的绝对时空观将要从根本上动摇。已经伴随人们过了两个世纪，指导物理学家作出无数发现的牛顿力学现在突然失灵了，经典物理学家金碧辉煌的大厦突然出现了裂缝。于是各国的物理学家们纷纷提出各种方案来挽救以太，总希望迈克尔逊的实验能有另一种解释。 1892年英国物理学家斐兹杰惹提出了一个挽救以太的好办法。他假设一切物体在自己的运动方向上都要收缩，而且还给出一个公式，收缩的大小随运动的速率而增加。每秒运动11公里的物体，收缩十亿分之二左右，每秒运动26万公里的物体，收缩百分之五十。物体运动的速度达到光速，它在运动方向上的长度就变为零。长度的收缩不会出现负值，所以光速也就是宇宙中所能达到的最高速度。这就是有名的斐兹杰惹收缩。按照这个假说，迈克尔逊在实验时，顺着地球运动方向的两块镜面间距离就会变短，这正好弥补了光束逆以太传播而减少的速度，所以并不影响它和另一束横向光同时返回到观察镜里。 还有一位荷兰物理学家洛伦兹1904年提出一个更严密的假设，他在一篇论文中说：当电子在以太中运动时，电子将会从圆球变为椭球(它沿运动方向的半径变短)。这样收缩说就更有根据了。好个洛伦兹，为挽救以太，竟一口气提出了十一个方案。他还提出了著名的”洛伦兹变换“，说明相对运动的坐标系之间的转换关系。和斐兹杰惹的长度缩短相似，洛伦兹又提出当电子运动的速度达到每秒26万公里时，质量会增大百分之百；而达到光速时，质量无限大，这当然不可能，又正好说明光速是一个极限。 光速既然是一个极限，迈克尔逊的实验又证明了无论哪个方向上的光束都是一样的速度，这不就是一个实实在在，乾净利素的结论吗？何必又要把以太扯进来呢？而且以太既然是静止不动的，它丝毫没有自己的速度、质量，这和不存在又有什么差别？正像一个旧王朝被推翻之前，总有人千方百计地想出许多改良政策以延长其寿命。一个旧学说被抛弃前，人们也总是想把新事物和旧理论统一起来，希望它还能维持住它的权威。可是这以太说已经如同一件老和尚的百衲衣，补钉实在太多，纵然有斐兹杰惹、洛伦兹这样的好裁缝也实在难以补缀了。 各位读者，说到这里容我们作一简单回忆。大凡一个新学说诞生之前人们总要演一出霸王别姬或长亭相送之类的戏，以表述自己对旧学说不能长存的哀怨和惋惜。想那哥白尼体系诞生前夕，托勒玫体系已摇摇欲坠，大量的天文观察已证明它误差太多。为修正这种误差，人们假设行星按均轮轨道绕地运行时自己又按本轮运行，一个本轮不行，再加一个，一直加到十八个，真是不厌其烦。在氧气发现前夕，燃素说开始漏出破绽，参与燃烧的物质会减轻重量，就说这是燃素跑掉了。可是有时反而会增加重量，这时就说燃素有负重量。在能量守恒定律发现之前，人们不知道热能是运动的形式，而设物体的冷热是热素在来回流动。但是一个老妇人无论怎样梳洗打扮也是不能当作新娘出嫁的。这种改良性的假设总不能维持长久。时间越长，危机越深，结果便是一场必然到来的革命，这就是哥白尼、拉瓦锡、焦耳的出现。现在以太说经迈克尔逊往1887年捅破之后，人们修修补补，勉强维持到1905年，这时有一个年轻人再也不愿接受这种改良了，于是便振臂一呼，提出一个革命性的学说。 此人到底是谁，且听下回分解。 |
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