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物理學的空間層次與時間層次

時尚 更新时间:2024-10-20 08:54:12

19世紀末20世紀初,人類物理學不斷取得突破,而這一切幾乎都離不開對光的探索。

麥克斯韋方程組告訴我們,光以波的形式傳播,速度為每秒30萬公裡。但在麥克斯韋方程組推導出來的光的計算公式中,并沒有指定光的參照系,說白了,公式表明光不需要參照系,這完全颠覆了人們的傳統認知。

物理學的空間層次與時間層次(物理學上一個美麗的錯誤)1

物理學家們當然不會承認“不需要參照系的光速”,因為這意味着推翻了統治物理學界幾百年的牛頓經典物理學。于是他們開始為光尋找參照系,以太的概念應運而生。

當時的物理學界認為,以太是絕對靜止的參照系,光的參照系就是以太,光在以太中以光速傳播。

但是以太的概念僅僅是一個假設,物理學家們并沒有找到以太存在的證據,于是開始用實驗來尋找并證實以太的存在。

邁克爾遜莫雷實驗就是在這種背景下開始的,實驗的目的并不是否定以太的存在,恰恰相反,他們也相信以太是存在的,實驗本身就是為了尋找以太。

物理學的空間層次與時間層次(物理學上一個美麗的錯誤)2

實驗過程比較簡單。如果以太是絕對靜止的,那麼由于地球在高速運動,就會有以太風吹過地球表面,再加上地球圍繞太陽運轉,如果剛順着以太風飛行,測量到的光速就會變快。而如果光速的飛行方向逆着以太風,光的速度就應該變慢。

不過實驗結果讓邁克爾遜和莫雷兩人有些不安,無論他們如何測量,得到結果都是:光的速度始終保持不變,也就是說以太是不存在的。

物理學的空間層次與時間層次(物理學上一個美麗的錯誤)3

這個實驗結果表明,光速是恒定的,它不需要參照系,也不需要傳播介質。也就是說,即便是你以99%的光速飛行,對于靜止在地面上的我來說,你身上發出的光的速度仍舊是光速,而不是199%光速。

邁克爾遜和莫雷一開始并不願意接受這樣的結果,畢竟牛頓經典物理學已經統治物理學界幾百年了,當一種颠覆性的理論即将出現時,科學家也很難接受。

物理學的空間層次與時間層次(物理學上一個美麗的錯誤)4

但反複的實驗結果讓他們不得不接受,兩人最終也尴尬地承認了錯誤,認為以太根本就不存在。他們犯了一個錯誤,一個美麗的錯誤。本來是想證實以太的存在,結果卻證實了以太是不存在的。

這種錯誤對于物理學界來說并非一無所獲,反而會大大促進物理學的發展,也為之後愛因斯坦發現光,能量與物質之間的關系奠定了堅實的基礎!

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