牛顿和麦克斯韦支持的“以太假说”在当时能解释一些物理现象，也因此受到很多科学家的认同。但是到了19世纪末，以太这种神奇物质在理论上的存在，终于引发了一个灾难性的问题，也就是“光速疑难”。这个问题是这样的：如果宇宙中真的充满了以太这种在宇宙中“绝对静止”的物质，那么光沿以太传播，而地球又在以太中自由穿行，那么地球上的人就必然会观察到光速的相对变化。因为根据经典物理的观点，速度是相对的，当测量者顺着光传播方向运动时所测光速一定偏小（所得速度称为“亚光速”），而当测量者迎着光传播方向运动时所测光速一定偏大（所得速度称为“超光速”）。在地面上测风速时也会有类似的体验：如图8.9所示，如果在地面测得风速为20 m/s，那么在逆风行驶的车上测量风速肯定偏大（30 m/s），而顺风行驶的车上测得的风速则会偏小（10 m/s），也就是风速的相对性。由此可见，所测光速或者风速的大小与测量系统自身的相对运动速度也有关。可是，从麦克斯韦的电磁波动方程中，我们又可以得出一个非常确凿的结论：“真空中的光速是一个恒量，而不是相对变化的。”就这样，经典物理的“速度相对性”原理和电磁方程组推导出的“光速不变”原理刚好相反，就形成了尖锐的矛盾。而要解决这个矛盾问题，一个比较有效的办法就是：利用地球本身的运动，在不同的方向上测量光速究竟会不会出现相对变化，即是否会出现“超光速”或者“亚光速”的现象，而这又是关系到以太这种物质是否存在的关键问题。显然，如果有光速的相对变化，则一定存在以太，否则以太的存在就要打上大大的问号。由于解决问题的关键在于测量光速，所以这个问题就被人们称为“光速疑难”。
图8.9 经典理论中的“速度相对性”原理
为了验证“光速疑难”和“以太”的存在，美国物理学家迈克尔孙与莫雷在1887年合作完成了著名的“迈克尔孙-莫雷实验”，又叫“以太漂移实验”。实验的目的就是测量在地球不同方向上的光速是否有差异，其依据是：地球以每秒30 km的速度绕太阳运动，并在这过程中穿越“绝对静止”的以太。因此，当一束光沿着以太从远处传递过来时，地球各个方向上一定会出现顺着、逆着或者垂直光传播方向的情况，从而导致光速差异。而根据波的干涉原理，如果这些方向上确实存在光速差异，人们就一定能观察到光波干涉条纹的变化。对本书的读者而言，迈克尔孙-莫雷实验的基本原理过于抽象，直接描述可能较难理解。为了更好地说明其实验原理，我们在这里可以用一个“游泳”的例子来帮助讨论。
图8.10 人在静止游泳池中游泳的情况
图8.11 人在流动河道中游泳的情况(www.xing528.com)
如图8.10 所示，我们首先想象一个游泳池中装满了水，池水相对地面是静止的。这时，如果我们把池水看作以太，就等效于以太（池水）相对地球（地面）静止。同理，我们还可以把游泳的人看作光子，这样一来，“人在水中游泳”就可以理解为“光子沿着以太传播”。由于池水静止，人无论是沿着泳道方向还是垂直泳道方向向前游，人游泳的速度总是相同的，也就是光速不变。但如果是在流动的河水中游泳，如图8.11 所示，人沿着河道逆流或者顺流的游泳速度一定与垂直河道的游泳速度不同，也就是光速的差异性。然而，如图8.12 所示，迈克尔孙和莫雷在这个实验中无论从哪个方向观察，都没有看到光波干涉条纹的变化，也就是“地球各个方向上的光速没有差异，是恒定不变的”。换句话说：迈克尔孙-莫雷实验证实了“光子和以太的关系”属于在“游泳池”而非在“河道”中游泳的情况。既然是在“游泳池”中游泳，那么池水（以太）和地面（地球）就一定是相对静止的。
图8.12 迈克尔孙-莫雷实验没有看到地球各个方向上的光速差异
迈克尔孙-莫雷实验的这个结果使科学家们处于一个左右为难的境地。因为人们通常认为以太在宇宙中“绝对静止”，而地球在宇宙中“自由运动”。但迈克尔孙-莫雷实验又证实了“游泳池模型”，即“绝对静止”的以太（池水）和“自由运动”的地球（地面）是相对静止的。这个结果意味着：人们必须认为地球就是宇宙中心，这样一来，地球和以太在宇宙中都是绝对静止的，所以两者也必然是相对静止的。不过，这个观点不仅否认了地球的自由运动，还等于倒退回亚里士多德时期的“地心说”，是历史的倒退，因而绝对不可接受！而另一个选择就必然是放弃由权威牛顿提出并已经被人们广泛认可长达两百年的“以太假说”，这真是让人一筹莫展！在这里，麦克斯韦的波动方程和迈克尔孙-莫雷实验能导出“光速不变”的结论，而牛顿经典物理则认为“速度是相对变化”的，如图8.13 所示，“光速不变原理”和“速度相对性原理”的尖锐冲突就产生了矛盾，而且这个矛盾还关系到“以太”这种物质是否真的存在的问题，所以成为开尔文教授口中笼罩当时物理学天空的“光速疑难”乌云。
图8.13 开尔文教授口中的第二朵乌云——“光速疑难”
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
