科學史上的唯一一次:一個「失敗」的實驗,獲得了諾貝爾物理學獎

薛定諤的貓 2021/08/19 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

科學是人類文明進步的重要推動力,但科學的發展卻並不是一帆風順,在人類的科學史上,充斥著大量的失敗,有意思的是,在這些「失敗」之中,有一些也促進了科學的進步,比如說「邁克爾遜-莫雷實驗」就是一個典型的例子。

人類科學史上的唯一一次:一個「失敗」的實驗,獲得了諾貝爾物理學獎

現在的我們都知道,光具有「波粒二象性」,也就是說光同時具備「波」和「粒子」的雙重性質,然而光的「波粒二象性」是在20世紀初才被發現的,而在此之前,人們一直在為光到底是「波」還是「粒子」爭論不休。

進入19世紀之後,「波動說」逐漸在這場爭論中佔據上風,越來越多的人相信,光其實就是一種「波」,根據當時的認知,「波」的傳播是必須需要介質的,比如說聲波需要在空氣中傳播,水波需要在水中傳播,所以光作為一種「波」,也必然會通過一種介質來傳播。

於是人們就將這種介質稱為「乙太」,根據設想,「乙太」在宇宙中無處不在,所有的物質都在「乙太」中運動,而光也是通過「乙太」來傳播。

到了19世紀後半葉,「乙太」這種概念早已深入人心,幾乎所有的人都相信「乙太」必定存在,然而從科學的角度來看,只是「相信」是沒有什麼說服力的,於是在1881年的時候,物理學家邁克爾遜設計了一個巧妙的實驗,並試圖以此來證明「乙太」的存在。

邁克爾遜認為,地球圍繞太陽公轉,其實就是在「乙太」中穿行,在這種情況下,地球就會遇到與地球公轉速度相等的「乙太風」迎面吹來,而由於「乙太」是光傳播的介質,因此在「乙太風」的影響下,在地球上向不同方向發射的光的速度就會存在著一定的差異。

根據這一思路,邁克爾遜設計了一台干涉儀,如上圖所示,該干涉儀由一個光源(S)、一個分光鏡(A)、兩個反射鏡(B和C)以及一個觀測屏(T)組成,當它運行起來,就是以下這種效果。

可以看到,光從光源出發後,在經過分光鏡時,會分成兩束相互垂直的光,接下來,這兩束光在走過完全相同的距離之後,會分別由反射鏡B和C反射回來,然後經過分光鏡投射到觀測屏,這樣就可以觀測到這兩束光的干涉條紋了。

(注:當兩束相同頻率的光波相遇時,會根據相位的不同而出現光強增強或者減弱的現象,從而產生明暗相間的條紋,這就是干涉條紋)

邁克爾遜認為,由於這兩束光相互垂直,它們相對於「乙太」的速度肯定是不一樣的,因此如果將干涉儀整體旋轉90度,就可以讓這兩束光的速度「互換」,從而使原來的干涉條紋發生位移,只要在實驗中發現了這種現象,就可以證明「乙太」的存在。

然而邁克爾遜的實驗卻失敗了,無論他怎麼搗鼓這台干涉儀,都沒有發現期待中的現象。

實驗的失敗,是不是因為干涉儀的精度不夠呢?於是在接下來的大約6年的時間裡,邁克爾遜和另一位物理學家愛德華·莫雷一起設計了一個精度更高的干涉儀(相比最初的那一台,其精度整整提高了10倍),並於1887年進行了著名的「邁克爾遜-莫雷實驗」。

「遺憾」的是,此次經過長時間精心準備的實驗依然以失敗告終,這就意味著,光速在不同慣性系以及不同方向上都是相同的,而人們之前所堅信的「乙太」,很可能並不存在。

「邁克爾遜-莫雷實驗」的實驗結果令當時的科學界大為震動,人們在不同的地點和時間進行了大量的重複實驗,精度也在不斷提升,然而都得到了相同的實驗結果。在此之後,雖然人們在「乙太」的基礎上對此提出了多種解釋,但是都不足以令人信服。

愛因斯坦在1905年指出,既然光速在不同慣性系以及不同方向上都是相同的,那麼「乙太」就沒理由存在,於是他就在以「光速不變原理」為基本假設的基礎上,建立了著名的狹義相對論,從此開啟了物理學的新篇章。

1907年,邁克爾遜獲得了諾貝爾物理學獎,他獲獎的主要原因就是「邁克爾遜-莫雷實驗」,而這個實驗也成為了科學史上的唯一一個,因為「失敗」而獲得諾貝爾物理學獎的實驗。

 

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