Question

迈克尔逊——莫雷实验的成功之处在哪里？

当时的背景是怎样的？科学家们又是如何想办法解决的？请教有了解这方面的专家们！

Answer 1

以太理论

“以太”的提出，是为了解释光在真空中以及在高速的空间中都能传播这一事实。当时，认为光必须有一个载体才能传播，而这种载体当光在真空中传播时更显得必要。

为了解释真空不空，笛卡儿于17世纪第一个提出了“以太”的假说，并把“以太”描述为：以太是充满整个空间的一种物质。真空中没有空气，但却有这种无所不入的“以太”。

至19世纪上半叶，当光具有波动性被大多数物理学家承认时，以太假说又获得了新的支持，于是，19世纪末的物理学界，牢固地确立了一种思想，认为有一种到处存在的、能穿透一切的介质，并充满所有物质的内部和它们之间的空间，它的作用是作为光传播的基础。

惠更斯把它叫做以太（光以太），后来又被叫做法拉第管（电磁以太），被认为是引起带电体和磁化物之间相互作用的原因。麦克斯韦的工作使这两种假想的介质统一起来了。他指出光是传播的电磁波，并建立了一个优美的数学理论，把所有涉及光、电和磁的现象结合在一起，光以太也就是电磁以太。这时，“以太”的存在似乎无可置疑了。

迈克尔逊-莫雷实验

1881年(爱因斯坦当时才8岁)，迈克尔逊(1852~1931)设计了一个精密的仪器，即后来的迈克尔逊干涉仪。仪器装置如图所示，A是半镀银镜，B和C是两个反射镜，且AC=AB=L，光从S出发，经A分为两束，再经B和C反射后到达T处。当两个光速有一定光程差时，即在T处出现干涉条纹。为了保持仪器的水平，迈克尔逊把仪器放在水银槽上。

更多信息可以参考迈克尔逊莫雷

Answer 2

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。

所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。显然自然界不存在真正的黑体，但许多地物是较好的黑体近似( 在某些波段上)。

基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff)，在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，可叫作完全辐射体。

绝对黑体的热辐射的规律比较简单，在19世纪末许多人做了大量研究，黑体辐射的波长并不是单一的，它同时辐射各种波长的电磁波。不同波长的电磁波，它们的强度也不一样。随着温度的升高，一方面各种波长的辐射长度都有所增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，或者可以忽略的说，“温度越高，辐射的电磁波的波长越短。”{烧红的铁块如果继续升温，就会达到“白”热，这是因为温度升高后，在它的辐射光中，波长较短的如蓝光紫光所占的比率就会增加，更接近日光灯的各种颜色比例，因此看起来是白色的。 简单就说这些。

1881年-1884年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克尔逊—莫雷实验，测量了不同方向上的光速。然而实验结果显示，并不存在这个速度差异。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。实验中用一个分光镜将一束光分成两束相互垂直的光，让它们经过一系列的反射后再进行干涉，如果真的有以太存在，则这两珠光的速度是不同的，因为有地球的自转带动着以太。而实验结果却证明了光速不变，是爱因斯坦相对论的重要实验依据。

物理学界通常把迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验称为十九世纪末叶飘在物理学晴朗天空的“两朵乌云”。

Answer 3

迈克尔逊-莫雷实验，是探索光的传播介质以太是否存在的实验。该实验的成功之处就是证实了可作为宇宙中参照物的以太不存在。
物理学家们曾猜想宇宙空间中充满着光的传播介质，并把它叫着以太，并认为以太是绝对静止的。宇宙中的各星球都在以太内部运动，以太可以作为宇宙中的绝对参照物。由于地球在绕太阳公转，并且还在自转，则地球和以太之间必有相对运动。于是人们就想通过测量以太与地球的相对运动，来证实以太的存在。
为了证明以太的存在，物理学家做了大量实验，其中最著名的实验就是迈克尔逊-莫雷实验。迈克尔逊-莫雷实验测得：在地球附近的空间中，光在各个方向上的传播速度是相同的。若以太与地球有相对运动，则沿以太移动方向传播的光，其速度应该大于向其它方向传播的光，实验不应该出现光在各方向传播速度都相同的结果。该实验结果否定了以太与地球的相对运动，也即是否定了可作为宇宙中绝对参照物的以太的存在。于是就有人认为，既然以太不存在，则光传播就不需要传播介质。其实这种认识是错误的，迈克尔逊-莫雷实验只是证实了，在地球附近的空间中光的传播介质与地球没有相对运动，而不应该用该实验去证实光是否需要传播介质这个问题。那么又该如何确定光的传播介质是何种物质呢？这个可以从波的传播原理来寻找确定方法。
波的形成与传播需要两个基本条件：波源和介质。波源是产生振动的物体，而介质则是振动能量传播所需的物质，这两个条件缺一不可。没有波源就无法产生振动，而没有介质则无法传播振动。而介质的震动只是在一平衡点进行，介质并不会随波的传播而移动。因此，必须有连续的传播介质波才可以传播下去。光波的传播也应如此，否则它就不属于波，也不会表现出各种各样的波的特性。那么又该如何确定光的传播介质是何种物质呢？其实方法很简单，既然波是靠介质的有序震动进行传播的，根据波的这个传播特点，就可归纳出确定波传播介质的方法，即：波传播时，在传播地点做有序震动的物质，就是波的传播介质。那么光传播时，是那种物质在做有序振动呢？是电磁场。因为光传播时，光波中电磁场的强度，进行着周期性的大小变换。电磁场强度的这种大小变换，实际就是电磁场在振动，变换中的电磁场的最大强度，正是电磁波的振幅。所以说，电磁场就是电磁波的传播介质。由于磁场是电场的另一种表现形式，也可认为：光的传播介质是电场。
人们之所以会认为光传播无需传播介质，是因为宇宙中一些星球发出的光可以穿过浩瀚的太空到达地球，人们一直认为浩瀚的太空是真空的，光既然可以在浩瀚的太空中传播，于是便有人认为光传播不需要传播介质。电场是由组成物质的带电粒子发出，并可以向远处无限的延伸。由于宇宙中存在有数以万亿计的星球，这些星球大都是由带电粒子组成，所以它们会在太空中形成各自的电场，这些电场才是光可以在浩瀚太空中传播的原因。
使用光的传播介质电场，还可以很容易的解释迈克尔逊-莫雷实验。迈克尔逊-莫雷实验测得，在地球附近空间中，光在各处及各个方向上的传播速度是相同的。为什么会有这样的结果呢？有以下两个方面的原因：
(1).由于其它星球距离地球太遥远，它们在地球附近形成的电场与地球自身形成的电场相比可以忽略，地球附近空间中的电场主要由地球自身形成。因此，地球附近空间中的电场与地球是成为一体的，没有相对运动。
(2).传播介质的性质决定着波在该传播介质中的传播速度。在地球附近空间这个特定区域里，电场的性质处处都基本相同，因此在这里测得的光速也都基本相同，为每秒约30万公里。
正是基于以上两点，才造成在地球附近空间中测量到的光速，在各处及各个方向上都基本相同。
基于上面的两点还可以明白：来自太阳或其它星球的光，它们在太空中传播时，不管其相对于地球的传播速度是多少，当它们到达地球附近后，其相对于地球的传播速度都会变的相同，为每秒约30万公里。正是各星球照射到地球上的光速相同，造成一些人认为光相对于各星球的传播速度都一样，便得出了不切实际的光速不变理论。在科学研究中，不能根据事物的表面现象下结论，要学会透过现象看本质。实际上，太空中的光速并不是一成不变的，因为太空中的电场，是由宇宙中数以万亿计的运动着的星球共同形成，当空间位置改变时，电场的强度与运动状态可能也会改变。电场的强弱变化以及电场的运动，都会影响光的传播速度，所以光在太空中并不会一直以恒定的速度传播。测量得到的每秒30万公里的光速，实际上是在地球附近空间这个特定区域中的光速。