二、狭义相对论产生的背景和条件

    19世纪后期,随着电磁学的发展,电、磁技术得到了越来越广泛的应用,同时对电磁规律的更加深入的探索成了物理学的研究中心,终于导致了麦克斯韦电磁理论的建立。麦克斯韦方程组(见§12-6)不仅完整地反映了电磁运动的普遍规律,而且还预言了电磁波的存在,揭示了光的电磁本质。这是继牛顿之后经典物理学的又一伟大成就。

    但是长期以来,物理学界机械论盛行,认为物理学可以用单一的经典力学图像加以描述,其突出表现就是“以太假说”。这个假说认为,以太是传递包括光波在内的所有电磁波的弹性介质,它充满整个宇宙。电磁波是以太介质的机械运动状态,带电粒子的振动会引起以太的形变,而这种形变以弹性波形式的传播就是电磁波。如果波速如此之大且为横波的电磁波真是通过以太传播的话,那么以太必须具有极高的剪切模量, 同时宇宙中大大小小的天体在以太中穿行,又不会受到它的任何拖曳力, 这样的介质真是不可思议。

    从麦克斯韦方程组出发,可以马上得到在自由空间传播的电磁波的波动方程(见§12-8),而且在波动方程中,真空光速c是以普适常量的形式出现的。但是从伽利略变换的角度看,速度总是相对于具体的参考系而言的,所以在经典力学的基本方程式中速度是不允许作为普适常量出现的。当时人们普遍认为,既然在电磁波的波动方程中出现了光速c,这说明麦克斯韦方程组只在相对于以太静止的参考系中成立,在这个参考系中电磁波在真空中沿各个方向的传播速度都等于恒量c,而在相对于以太运动的惯性系中则一般不等于恒量c

    于是这样的情况出现了:经典物理学中的经典力学和经典电磁学具有很不相同的性质,前者满足伽利略相对性原理,所有惯性系都是等价的;而后者不满足伽利略相对性原理,并存在一个相对于以太静止的最优参考系。人们把这个最优参考系称为绝对参考系,而把相对于绝对参考系的运动称为绝对运动。地球在以太中穿行,测量地球相对于以太的绝对运动,自然就成了当时人们首先关心的问题。最早进行这种测量的就是著名的迈克耳孙-莫雷实验。

图 8-1

    迈克耳孙-莫雷实验的装置是设计精巧的迈克耳孙干涉仪(详见§14-7),图8-1是这种仪器的示意图。从光源S射出的一束单色光,经半透明膜G的透射和反射分解为互相垂直的两束光,这两束光各自经历一定长度(l1l2)的路径后分别被平面反射镜M1和M2反射回半透明膜G,再次经反射和透射合成为一束光并到达望远镜O, 在望远镜O中可以观察到两束光的干涉条纹。如果两束光的相位差发生变化,望远镜中会观察到干涉条纹的移动。实验时先让一条光路沿地球运动的方向,同时观察干涉条纹,然后缓慢将干涉仪旋转90°,使另一条光路沿着地球运动的方向,这时应该观察到干涉条纹的移动,根据“以太假说”计算干涉条纹移动的数目为

                       ,                  (8-4)

式中l是光的波长,v是地球相对于以太的运动速度。

    1881年迈克耳孙首先完成了这一实验,没有观察到预期的条纹移动。1887年迈克耳孙和莫雷改进了实验装置,将两条光路的长度延长到11 m,预期的条纹移动数目为0.4,是最小可观测量的40倍,但仍未观察到条纹的移动。迈克耳孙-莫雷实验的否定结果似乎在告诉笃信以太的人们,地球相对于以太的运动并不存在,作为绝对参考系的以太并不存在。

       
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