42 狹 義 相 對(duì) 論 產(chǎn) 生 的 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ) 和 歷 史 條 件 第 4章 相 對(duì) 論 19世 紀(jì) 中 期 麥 克 斯 韋 建 立 的 電 磁 場(chǎng) 理 論 指 出 光是 電 磁 波 ， 并 提 出 光 是 在 以 太 中 傳 播 的 假 說(shuō) 。 以 太 假 說(shuō) 的 主 要 內(nèi) 容 是 ： 以 太 是 傳 播 包 括 光 波在 內(nèi) 的 電 磁 波 的 彈 性 媒 質(zhì) ， 它 充 満 整 個(gè) 宇 宙 空 間 。以 太 中 帶 電 粒 子 振 動(dòng) 會(huì) 引 起 以 太 變 形 ， 這 種 變 形 以彈 性 波 的 形 式 傳 播 ， 這 就 是 電 磁 波 。 并 且 進(jìn) 一 步 認(rèn) 為 以 太 就 是 人 們 一 直 在 尋 找 的 絕 對(duì)靜 止 參 考 系 ， 只 有 在 這 個(gè) 參 考 系 中 光 速 才 是 與 方 向無(wú) 關(guān) 的 恒 量 。1、 以 太 理 論 的 提 出 42 狹 義 相 對(duì) 論 產(chǎn) 生 的 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ) 和 歷 史 條 件 第 4章 相 對(duì) 論 2、 光 速 的 困 惑 狹 義 相 對(duì) 論 建 立 以 前 ， 人 們 認(rèn) 為 任 何 速 度 的 疊 加 都 滿 足伽 里 略 變 換 。 但 在 光 速 領(lǐng) 域 里 卻 碰 到 了 困 難 。 c u v c u vu u 如 前 所 說(shuō) ， 以 太 就 是 絕 對(duì) 空 間 。 以 太 中 電 磁 波 沿 各 方 向 傳播 的 速 度 都 等 于 恒 量 c。 但 在 相 對(duì) 以 太 運(yùn) 動(dòng) 的 慣 性 系 中 ， 按 伽利 略 變 換 ， 電 磁 波 沿 各 方 向 傳 播 的 速 度 并 不 等 于 恒 量 c， 如 下圖 中 相 對(duì) 于 光 源 運(yùn) 動(dòng) 的 小 車 上 所 測(cè) 得 的 光 速 。 42 狹 義 相 對(duì) 論 產(chǎn) 生 的 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ) 和 歷 史 條 件 第 4章 相 對(duì) 論 3、 邁 克 耳 孫 莫 雷 的 實(shí) 驗(yàn) 分 析（ 1） 使 干 涉 儀 的 臂 沿 著 地 球 軌 道 運(yùn) 動(dòng) 速度 u方 向 。 地 球 相 對(duì) 以 太速 度 為 u， 從 G1到 M1光束 的 速 度 為 v=c-u； 從 M1到 G1光 束 的 速 度 為 v=c+u。故 光 從 G1點(diǎn) 經(jīng) M1返 回 的時(shí) 間 為 t 1 面光源 M1M1/2 12/ 1/ uv=c-uv=c+u M2G 2G 11 1 11 2 22l l l ct c u c u c u 42 狹 義 相 對(duì) 論 產(chǎn) 生 的 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ) 和 歷 史 條 件 第 4章 相 對(duì) 論 (2) 設(shè) 光 束 從 G1經(jīng) M2反 射回 G1共 需 時(shí) 間 為 t2 22 22 2 uc lt 22 ucV 光 相 對(duì) 地 面的 速 度 為 V,根 據(jù) 經(jīng) 典 相對(duì) 速 度 公 式 uV c uv=c-u M2G12l v=c+uG2 1l 42 狹 義 相 對(duì) 論 產(chǎn) 生 的 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ) 和 歷 史 條 件 第 4章 相 對(duì) 論 1 21 2 2 22 1 ( ) 1 ( )l lt t t uc uc c 轉(zhuǎn) 動(dòng) 90， 時(shí) 間 差 為 1 21 2 2 22 1 ( )1 ( )l lt t t uc u cc 1 2 2 22( ) 1 1 1 ( ) 1 ( )l lt t t uc uc c 干 涉 儀 轉(zhuǎn) 動(dòng) 前 后 ， 光 通 過(guò) 兩 臂 時(shí) 間 差 的 改 變 量 為 ： 42 狹 義 相 對(duì) 論 產(chǎn) 生 的 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ) 和 歷 史 條 件 第 4章 相 對(duì) 論 考 慮 u/c 是 小 量 ， 利 用 近 似 公 式21 1 , ( )1 uc 1 11 21 21 2( ) ( )l l ut c c 應(yīng) 有 干 涉 條 紋 移 動(dòng) 的 數(shù) 目 21 2( ) ( )l lc t uN c 1 2l l l 若 取 ， 則 22 ( )l uN c 42 狹 義 相 對(duì) 論 產(chǎn) 生 的 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ) 和 歷 史 條 件 第 4章 相 對(duì) 論 有 一 部 分 人 不 相 信 實(shí) 驗(yàn) 的 真 實(shí) 性 ， 繼 續(xù) 改 進(jìn) 實(shí) 驗(yàn)設(shè) 備 做 實(shí) 驗(yàn) 。 而 且 春 天 做 了 夏 天 做 ， 秋 天 做 了 冬 天做 ； 平 地 做 了 高 山 做 實(shí) 驗(yàn) 精 度 越 來(lái) 越 高 ， 能 做 實(shí)驗(yàn) 的 人 越 來(lái) 越 多 ， 乃 至 幾 乎 每 個(gè) 大 學(xué) 都 能 做 ， 但 結(jié)果 仍 然 一 樣 ， 地 球 上 的 光 速 與 地 球 速 度 無(wú) 關(guān) 。 洛 侖 茲 等 人 提 出 ， 可 能 是 地 球 拖 著 “ 以 太 ” 一 道運(yùn) 動(dòng) ， 地 球 與 以 太 之 間 沒(méi) 有 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 了 ， 當(dāng) 然 測(cè) 不出 速 度 的 差 別 ， 但 是 這 一 想 法 又 被 天 文 上 的 “ 光 行差 實(shí) 驗(yàn) ” 所 否 定 。 “ 光 行 差 實(shí) 驗(yàn) ” 否 定 地 球 拖 著“ 以 太 ” 運(yùn) 動(dòng) 。 42 狹 義 相 對(duì) 論 產(chǎn) 生 的 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ) 和 歷 史 條 件 第 4章 相 對(duì) 論 還 有 不 少 解 釋 .但 總 有 矛 盾 的 地 方 。 這 樣 一 來(lái)物 理 學(xué) 面 臨 著 一 場(chǎng) 危 機(jī) ， 對(duì) 于 經(jīng) 典 物 理 的 大 廈 ， 人 們想 扶 起 東 墻 卻 倒 了 西 墻 ， 想 扶 起 西 墻 卻 倒 了 東 墻 。 愛(ài) 因 斯 坦 則 拋 棄 以 太 （ 即 否 定 絕 對(duì) 靜 止 參 考 系的 存 在 ） ， 建 立 相 對(duì) 論 ， 并 提 出 了 全 新 的 時(shí) 、 空 觀 。 為 什 么 會(huì) 產(chǎn) 生 這 樣 的 現(xiàn) 象 呢 ？ 因 為 人 們 受 著 傳 統(tǒng)思 想 的 束 縛 ， 仍 抱 著 牛 頓 的 時(shí) 空 觀 不 放 。 抱 著 伽 利 略坐 標(biāo) 變 換 不 放 。 在 這 種 情 況 下 就 看 誰(shuí) 能 沖 破 傳 統(tǒng) 思 想的 束 縛 ， 就 能 在 大 量 的 實(shí) 驗(yàn) 事 實(shí) 面 前 創(chuàng) 建 新 的 理 論 。