按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页,按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页,按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部!
————未阅读完?加入书签已便下次继续阅读!
光线已经又一次聚集回到玻璃G上,重新整合成一支大军。浩浩荡荡,大有要把历史都踩在脚下之势。
呵呵!问苍天,谁主沉浮?惟我至尊!谁与争锋?
光并没有放慢脚步,直冲正在T处观察的莫雷。
干涉条纹!有?没有?
即将揭晓!是牛顿的胜利?是牛顿的下野?
天知道!该来的迟早要来!来吧!来吧!猛烈地来吧!
滚滚长江东逝水,浪花淘尽英雄。是非成败转头空:青山依旧在,几度夕阳红。
白发渔樵江渚上,惯看秋月春风。一壶浊酒喜相逢:古今多少事,都付笑谈中。
光线吟唱着,马不停蹄,飞奔向前。
此时,不知怎的,外面风云突变,乌云密布,山雨欲来风满楼。
也好,暗一些,容易观察。感谢上帝。
光一头扎进了莫雷的观察镜头中,二话不说,一片寂静。
或许,此时无声胜有声。
镜头上,没有干涉条纹!
“没有条纹!是不是装置哪里出了问题,老兄!”莫雷喊道。
“我来看一下,我说兄弟,你太兴奋了吧!竟然激动到看不见了……”麦克尔孙凑了过来。
“没理由呀!怎么会没有呢?赶快检查一下装置……”麦克尔孙脸上的笑容顿时消失。
“你们来看看!有没有?有没有?你说……”
板上钉钉,没有!
……
一番检查后,拆了又装,装了又拆,无论怎么着,依旧没有干涉条纹!
一道闪电,雷声轰隆。
麦克尔孙和莫雷面如土灰。“不可能……不可能……一定可以看到的!一定是我们忽略了什么!一定是我们搞错了什么!……”
“一定是……一定是……噢,一定是地球绕太阳转动时,以太风的方向发生了变化,所以才看不到!一定是这样!”麦克尔孙欣喜若狂。
于是,他们决定在一年的不同时间继续重复这个实验,他们相信一定会看到条纹的。这也不是没有道理呀!可能,我们刚刚做实验的时候,刚好地球转动,以太风的方向改变了,不是M2的方向,造成两束光的速度没有了差别,时间一样了,那么自然就看不到条纹了。
但是,结果还是令人失望。不管麦克尔孙和莫雷怎么努力,在哪个时间不断观察,怎样换地点,如何变换角度,依旧没有看到条纹!
怪事!怪事!咄咄怪事!实际怎么会跟牛顿的预言不同?!
此事很快在物理学界传开了,掀起了轩然大波。测定了电子电荷量的诺贝尔奖得主密立根这样说道:“不合道理的、看上去无法解释的实验事实……”
难道是实验精度出了问题?30太小了,观察不到?没有,麦克尔孙和莫雷的实验确实可以达到这个精度,毋庸置疑。
所有的人都陷入了沉思中,百思不得其解。所以,在新世纪到来之际,开尔文勋爵把这个实验所遇到的无法解释的问题比作一朵乌云,一朵漂浮在物理学上空的挥之不去的小乌云。但是,没想到开尔文一语成谶,将来,乌云还真的带来了倾盆大雨,引发了一场大革命。
其实,在麦克尔孙和莫雷之后的50年中不断有人重复这一实验,但依旧没有看到所想要的结果。在1958年,甚至有人用微波代替光源的光来做该实验,其精度是麦克尔孙和莫雷的50多倍,却还是没有测量到以太风的影响。
回顾一下,我们为什么要做这个实验呢?先是牛顿有了假设,假设电磁波的速度仅相对以太而言方是c。之后,得到推论,在某些参照系中,可能会测得电磁波的速度不是c。再后来,我们学习了否定后件推理和肯定后件谬论,知道该怎样去证明牛顿是不是对的。所以,麦克尔孙和莫雷设计了这个实验,并进行了实验。
那么,很明显,实验结果表明这是个否定后件推理,只要一出现这种情况,即可证明牛顿的假设是有问题的。看来牛顿的天梯建得不太合理。
那问题出在哪里呢?
接下来让我们当一回福尔摩斯,来找出问题的根源。好了,跟麦克尔孙和莫雷说再见吧,他们还苦着脸呢……
首先,我们可以肯定的是,我们不能怀疑我们一直以来的逻辑推理本身,如果我们认为是逻辑推理本身有问题的话,那么所有的科学都不成立了,因为科学就是建立在逻辑推理的基础上的。如果p,那么就可以推出q,这个“推出”过程是应该是没有问题的。况且,要是这个“推出”,也就是逻辑本身有问题的话,那么我们福尔摩斯式的推理也就没有意义了。甚至可以说“因为逻辑本身有问题,所以才得不到干涉条纹”这样的解释都是没有意义的,因为它本身又用到了逻辑推理!
是的,首先得排除这种可能。
一路走来,说到现在。在这里,我必须停下来交代几句。对上面所聊到的麦克尔孙…莫雷实验,还有接下来将要说到的实验,为了便于理解,其实都已经做了一些简化。不过,其基本原理依旧保持不变。所以,诸位把它们当作一种消遣的读物来读便罢,而不应认为这些实验就仅仅是如此,更不能就此认为你已经完全掌握了它们。事实上,所有的科普也都几乎只能做到这一点,要是非常深入地去讲解的话,恐怕就要成为一本大学教材了。如果你并不准备为物理学献身,而仅仅是对它有兴趣的话,那么恭喜你,你只要了解了我所说的原理,那也算是这一群体中的精英了。倘若你立志要在物理学上大干一场的话,那么也恭喜你,你将会在大学里跟随你的导师极其深入地去研究这些问题,加深你现在的认识!
物理学的数学化在所有学科中(当然除了数学)是顶呱呱的,物理学发展至今,已是深深根植于数学,几乎所有的物理学理论都要用数学来描述,方可清晰、简洁和明了,甚至可以说离开了数学就根本无从下手。这些实验当然也不例外。只有真正借助数学式子去分析才能准确地理解其本质内容。我们前面也讨论过这个自然语言和数学语言的问题,所以,给诸位一个忠告:要想完完全全地理解物理学,必须回到坚实的数学土地上。
继续当我们的福尔摩斯……
前面我们已经排除了麦克尔孙…莫雷实验失败的第一种可能——逻辑本身出了问题。我们再来寻找线索,看看能不能得到其他缘由。
牛顿假设电磁波只有相对以太的速度才是c,然后我们设计实验去验证。在设计的时候,我们是这样分析的——“以太是绝对静止的,光通过它来传播、速度相对它就是c。而我们脚下的地球以每秒30公里的速度围绕太阳运转,那么照理说,至少,地球至少都应该相对以太有30公里每秒的运动速度。”还记得吗?
这有什么问题吗?对,以你福尔摩斯的直觉,似乎真有那么一点问题。想想,我们来咬文嚼字,仔细分析一下。
我们前面说地球相对以太有30公里每秒的速度,有证据吗?……没有!没有是吧?没有就意味着这种说法不一定是真实的哟!
那就只能算是一种假设了呀!也就是说,在这个前提下,牛顿的假设被我们加工了一下,成了“电磁波只有相对以太的速度才是c,并且地球相对以太有30公里每秒的速度”!要是“地球相对以太有30公里每秒的速度”这个说法是假的话,那么很明显加工后的假设也是假的了!我们也自然便得不到干涉条纹了。不是吗?
或许这正是实验失败的原因!因为出发点是错的!看来,我们还不能判牛顿的“死刑”,相反,可能是我们的自作主张——将人家的假设加工——出了问题!
既然“地球相对以太有30公里每秒的速度”是假的,那我们就换一下吧。我们的实验结果没有看到干涉条纹,不仅如此,不管我们怎样变换时间、地点和角度,都是一样!那是不是意味着地球相对以太是静止的呢?甭管那么多,先试试再说!
好,再加工一下假设,变成“电磁波只有相对以太的速度才是c,并且地球相对以太是静止的”。这样的话,我们就可以解释麦克尔孙…莫雷实验失败的原因了,那是由于在地球上,根本没有以太风,自然也就没有干涉效应了。这样一来,麦克尔孙…莫雷实验就成了牛顿的一次给出肯定性回答的验证了。
不过,先别高兴着,这只不过是个肯定后件的操作,还不能说牛顿是对的。况且,况且我们刚刚接到了一个“线人”的暗示,案情可能就此会发生变化!
走,让我们奔赴现场。
还好,我们刚好赶得及。刚刚开始,我们赶快聚精会神来看一下。
一位天文学家放下手里的望远镜,将要给我们说个有用的线索。
“下雨的天气大家是再熟悉不过的了。我相信大家都有过这样的经验,或者说一定可以明白这样的事实。雨水垂直地落到地面上,你撑着雨伞,如果你是静止站在地面的话,那么你只需直立着雨伞就可以了。可是,要是你在匆匆赶快学校的话,你就必须将伞倾向前面,以挡住雨水,是吧?这也就是说,由于我们运动,本来垂直下落的雨水对于我们来说就有一定的角度了。”
“诸位,再想象这样一种情景。由于突然吹起水平方向的风,风的速度是a吧!那么,雨水就不再是垂直的了,而是向风的方向倾了,是吗?接下来,你跟随风的方向,也以a的速度赶往学校。呵呵,你该怎样撑伞?”
“也应该是直立的吧?这太容易不过了!如果还想不明白的话,下雨的时候再去试试。”
“我们来分析一个问题。为什么一样是在雨中走动,一个要倾斜着伞,而一个却是直立着呢?也许你早已注意到是风在搞怪,一种情况下,撑伞的人相对风是动的,而另一种情况下,他相对风却是不动的。而雨水却是随风而动,原因正是如此!”
“好,类比思考一下。将恒星的光代替雨水,撑伞的你换成站在30公里每秒运动的地球的你,风或者说空气改成以太。呵呵,你猜到我要做什么了是吧?再接着刚才的思维,光在以太中传播,相对以太是静止的,这跟雨水和风的关系很像是吧?某一颗恒星发出的光刚好垂直于地球公转的轨道平面,就像雨水垂直落到地面上,如果说地球与以太是相对静止的话,地球跟以太都以30公里每秒的速度绕太阳运动,很明显,这就像你跟风一起以a运动一样,光在以太中传播,类比上面有风吹的雨水的结果,你也应该看到光是垂直射到你这里来的(就像雨水还是垂直落到你的雨伞那样)。”
“要是地球相对以太是运动的,那么就像要倾斜雨伞的结果,你会看到光是倾斜着射道你这里来的。”
“但是,你猜我实际上看到了哪一种结果?结果是……光倾斜着过来!我必须得倾斜我的望远镜,才能看到那颗恒星!不信?你来看看……”
果然不虚此行!我们得到了一条重要的线索——按照天文学家的推断,地球相对以太是运动的!看来,我们做麦克尔孙…莫雷实验之前的加工没有问题,我们又得到了一个否定后件的推理,立即可以否定“地球相对以太是静止的”这个附加假设。这可真是“柳暗花明刚一村,山重水复又无路”呀!
天文学家所说到的现象其实早在麦克尔孙…莫雷实验之前就有人发现了,比如英国的布拉德雷?詹姆斯(Bradley?James,1693-1762),人们把这种现象叫做“光行差”,而这个实验就是光行差实验。这个实验证明,如果以太是存在的话,也应该相对地球是运动的。
事实上,另外一个实验——斐索实验同样证明了这一点,不过,在这里我就不去谈斐索实验了,它必须结合数学工具来说,这样艰巨的任务就留给大学来完成吧。诸位,你只需要知道有这么一回事就足够了。
看来,线索又中断了,不过,我们应该高兴的是,我们又排除了一种可能——由于地球相对以太是静止的,所以我们观察不到干涉条纹。先别皱着眉头,路还长着哩!
我们已经排除了两种可能。一是逻辑本身存在问题;二是地球相对以太是静止的。还有没有其他的可能呢?
我们再来细细品味麦克尔孙…莫雷实验,阴谋一定就在其中。
别着急,面对危难,依旧保持清醒的头脑,冷静沉着,才能成就大器。别忘了你现在是谁!
我们的实验假设似乎没有问题,我们的实验目的和过程也是有依有据的。那?哪里还有什么问题吗?为什么我们得不到设想中的结果?
既然整个实验我们都没有找到不合理的地方,我们又没有忽略什么,那么问题就应该出现在其他地方。比如说,我们错过了有什么未知的现象,正是这种现象阻碍了干涉条纹的产生!可是,究竟有没有这种现象呢?
假设上帝创造世界时制定了这么个法则:凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹。这是一种可能吧?可是,我们能相信吗?要是站在自然科学的信仰上看,这个解释是极其荒唐的。为什么大自然要有这么一条特殊的法则?“大自然喜欢简洁”是我们一直以来进行科学研究的信仰。这么一条特殊的法则,不到万不得已、无路可走的情况下都不会被科学家接受。
因为上帝说凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹,所以我们观测不到条纹。这不是等于没有解释吗?打个比方,当时苹果掉下来的时候,牛顿如果是这样解释的话“因为上帝说是苹果都得掉回地面,所以这个苹果掉向地面!”,恐怕谁也不服,简直是开玩笑嘛!也肯定没有牛顿引力定律了。那依此类推,上帝还得制定“是小猫都得掉回地面”“是面包都得掉回地面”云云。如此之多的法则,独立开来,这正跟科学的目的相悖,我们的目标是——
用尽量少的假设去解释尽量多的现象。
正是这种信仰,让我们走到了今天,创造了今天的财富。
而现在,为了解释千千万万个实验中的一个,如此破费,不太值得吧?
这种可能先放下,不到最后一刻,我们都不可以用。没有理由,我们的信仰而已,搞科学也得有信仰呀!来,继续寻找其他的可能解释。
那还有没有其他的比较合理的、我们未知而又影响了麦克尔孙…莫雷实验的现象呢?
思考一下。我们的装置的镜子到镀银玻璃的距离都是L,相等的,所以我们认为由于两束光的速度不同,时间就自然不同了,也便会出现条纹!但是,等等,是不是两个距离真的都是L呢?
是的呀!我都量过了,毋庸置疑!确实是L!
等等,我的意思是,你量得是L没错,可是,做实验时还能保证它们都是L吗?
什么意思?
也就是说,本来与地球运动方向相同的镜子M2那路的距离是L,按照我们的分析,由于速度的原因,光线会比另外一路迟一点到达莫雷那地方。但是,会不会存在这么一种效应,由于运动,在运动方向上的长度会变短!而变短的程度,刚好使得麦克尔孙…莫雷实验中M2那路的光线走过的时间与M1那路一样了!
乍一看,那是相当的有道理呀!是呀!不准还真有这么一种效应,只不过之前我们还没有发现而已呢!而正是它阻碍了我们观察到干涉条纹!
其实,这种解决方法最早由荷兰的一个名叫洛伦兹(1853…1928)的物理学家和数学家提出来,在1892年,为了说明麦克尔孙…莫雷实验的结果,他独立地提出了长度收缩的假说,就是相对以太运动的物体,其运动方向上的长度会缩短。到了1895年,他还发表了长度收缩的准确公式(在这里就不写出来了,当然是替那些对数学过敏的朋友着想。但还是顺带一句,洛伦兹的公式跟未来爱因斯坦推出的长度公式是一样的)。
如果你中学稍微认真一点听物理课的话,一定还会记得一个“洛伦兹力”。它指的就是带电粒子在磁场中运动所受到的一种力,这里的“洛伦兹”就是那个提出长度收缩假说的洛伦兹。洛伦兹由于在电子方面的贡献,获得了1902年的诺贝尔物理学奖。洛伦兹掌握了很多门外语,相信不当物理学家,也能靠翻译过日子,确实是个能人。
可是,这种解释你信服吗?肯定不信!这,不跟上面的“因为上帝说凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹,所以我们观测不到条纹”有异曲同工之“妙”吗?因为“相对以太运动的物体,其运动方向上的长度会缩短,所以我们看不到条纹”,这未免也有点牵强吧?
为什么会缩短呢?能不能从什么基础上推出来?凭空想象来的呀!半路杀出个程咬金!无端端,跑了个这么的东西出来,不只是你,连当时洛伦兹的很多同行充满非议——这不是为了纯粹解决困难才想出来的嘛!这只是个纯粹为了符合实验而发明的假说!
不同意!……不同意……太不可想象了!你说缩短了,那么你测量得出来吗?嘿嘿,不行,因为尺子也缩短了!噢,天呐,我……
没有来历的家伙!就像今天户口的黑户,什么都不知道。多半是像孙猴子那样,从石头迸出来的!
先保留意见呐!还是那句老话,这种可能先放下,不到最后一刻,我们都不可以用。
看来,在物理学中,当个福尔摩斯还并没有想象中的那么威风!(有些情况还不可以立即下手……)
看看还有没有其他更好一点的方法……
逻辑本身有问题的可能被我们第一时间枪毙了。
地球与以太相对静止,这种解释也因为不符合实际情况,PK了。
洛伦兹的主意倒是巧妙,但是站在他那块土地上,总觉得不够坚实,让人感到恐惧,无法接受。
可以说,后面两个解释都是在牛顿的假设的基础上,我们加上一些附加条件。一个附上了“地球相对以太是静止的”; 洛伦兹的又是“相对以太运动的物体,其运动方向上的长度会缩短”。但最终都不是解决问题的好方法。
似乎我们进入了死胡同。
看来,再在牛顿的基础上干加工的手脚是没什么前途的。既然,此路不通,那我们就寻找他路。
现在,来尝试一下,不要牛顿的假设了,咱们另起炉灶,自己动手使用别的假设,看能不能解决问题。
参考参考“地球相对以太是静止的”这个想法,虽然地球相对以太并不是静止的,但是它给我们指明了一个方向。只要使得麦克尔孙…莫雷实验中两路光的速度是相同的,我们就有可能解释实验结果。
那怎样才可以推出“麦克尔孙…莫雷实验中两路光的速度是相同的