经典时空观与迈克尔逊莫雷实验的关系

狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的，与麦克斯韦方程组有很大的关系.为了说明这一点，下面从思辨的角度来重新审视伽利略变换.

图9-1　伽利略变换

众所周知，相对性原理指出物理规律具有伽利略变换（图9-1）的对称性，也就是物理规律在不同的惯性系下具有相同的数学形式.

其中v代表两个参考系间的相对速度.可以看出，在伽利略变换下，时间是绝对的，速度是相对的.

然而，麦克斯韦方程组如果满足相对性原理，将推导出光速不依赖于任意参考系，也就是说，光速在任何惯性参考系下都是

这显然与伽利略变换中速度的相对性产生矛盾.

面对如上的矛盾，当时有三种观点：

第一种观点坚持伽利略与牛顿的经典时空观，认为麦克斯韦方程组有纰漏——光速是可变的.

第二种观点认为牛顿力学与麦克斯韦方程组二者都对，只是应用的方面不同：前者为适用于宏观日常物体的力学行为，后者适用于电磁学.这也就是认为相对性原理是错的，否定这一“管定律的原理”.

爱因斯坦凭借自己的物理学直觉，提出了第三种观点.他认为伽利略变换是错误的，为此设计了一个思想实验.

例1（爱因斯坦火车实验） 一辆飞驰而过的火车中部站有一人，地面上也站有一人.当地面上的人与火车的中点重合时，有两道闪电同时击中了火车车头和车尾.但对于火车中部的人来说，车头的闪电向他传播的过程中，火车对向移动了一段距离，而车尾的闪电向他传播的过程中，火车背向移动了一段距离，所以他看到的两道闪电应当是先击中车头，后击中车尾.一件在地面上的人看来同时发生的事情，在火车上的人看来就不是同时的.这就说明同时性是相对的（图9-2）.

图9-2　爱因斯坦火车实验

伽利略变换中t′=t意味着“同时”是绝对的，但火车实验说明“同时”是相对的！该实验驱使爱因斯坦对时空进行更深刻的思考，最终提出了狭义相对论.

下面，我们从实际实验的角度去看看.众所周知，麦克斯韦方程组描述了一种电磁波.那时的物理学已经知道机械波的传播需要介质，比如声波需要空气作为介质才可以传播.那么电磁波的传播是否也需要介质呢？如果需要，那这种介质又是什么呢？

有观点认为存在一种弥漫在空间中的无形之物——以太，就是电磁波传播的介质。而相对于以太静止的参考系，就是牛顿为建立经典力学所假设的绝对参考系.那么以太和绝对参考系是否真的存在？

迈克尔逊-莫雷实验（图9-3）的初衷就是为了证明绝对参考系的存在。如果绝对参考系真的存在，那么地球参考系与绝对参考系之间就应该存在相对运动。迈克尔逊-莫雷实验就是针对假想的两个参考系的相对速度而设计的.(www.xing528.com)

虽然这个设计巧妙的实验最终以失败告终，但如果考虑其对物理学发展的推动作用，它无疑是非常成功的！其实验思路如图9-3所示.

图9-3　迈克尔逊-莫雷实验

设图中水平向右的方向是地球相对于绝对参考系的速度方向，相对速度大小为v，图中分光镜到反光镜M1和M2的长度都为l.

透过分光镜的光线到达反光镜M1，再反射回分光镜.这一过程所需的时间为

由分光镜反射到反光镜M2的光线，再反射回分光镜.这一过程所需的时间为

可以看出t1≠t2.设两束光线的路程差为

将实验装置顺时针旋转90°，同样可以得到这种情况下的光程差为-Δx.

两种情况的光程差的差为2Δx，这意味着光屏上的干涉条纹会出现移动，但是在实验中却并未观测到干涉条纹移动的现象.除非v=0，也就是说，地球就是绝对参考系，弥漫在整个宇宙中的以太相对地球这颗普通的行星是静止不动的，这难以让人信服.因此就只剩一种解释了：绝对参考系是不存在的，也就是说，光速是不变的.