邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)解決了絕對非運(yùn)動(dòng)和光速恒定這兩個(gè)問題。為狹義相對論的誕生做足了準(zhǔn)備，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)(1887年)是一個(gè)殘酷的實(shí)驗(yàn)。所謂殘酷的實(shí)驗(yàn)，意思是說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)決定了一個(gè)科學(xué)理論的生死。當(dāng)時(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的是以太理論。不過同樣重要的是，他們的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出了愛因斯坦革命性新理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)做了什么

• 實(shí)驗(yàn)的依據(jù)

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的想法在于斷定地球通過以太海的運(yùn)動(dòng)情形。不過問題在于怎么做？如果是兩艘船在海上航行，兩者都可以斷定彼此的相對運(yùn)動(dòng)?？墒?，如果只是一艘船在平靜的海上航行，那么這艘船就沒有參考點(diǎn)來測定自己前進(jìn)的狀態(tài)。若是以前，水手會(huì)從船邊放一個(gè)測速儀在海面上，然后再測船相對于測速儀的運(yùn)動(dòng)。邁克爾遜和莫雷的方法一樣，只是他們丟在船邊的不是測速儀，而是一束光線罷了。

如果是地球動(dòng)而以太海靜止，那么地球在以太海中的運(yùn)動(dòng)必然會(huì)造成以太風(fēng)(etherbreeze)。這樣的話，如果有一束光在以太風(fēng)中逆向前進(jìn)，那么這束光的速度必然比橫向穿越以太海的光束慢。邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn)的核心要旨就在這里。

每一個(gè)飛行員都知道，如果來回飛行的行程里面有一趟逆風(fēng)，那么(即使另一趟是順風(fēng))如果要飛行一樣遠(yuǎn)的距離，這趟飛行耗費(fèi)的時(shí)間會(huì)比橫越同樣的風(fēng)要久。同理，如果以太海理論正確，那么一束光先是在以太風(fēng)中逆流而上，然后再折回順流而下，回到起點(diǎn)，所耗費(fèi)的時(shí)間必然比橫向來回穿越以太風(fēng)的光束長。

• 實(shí)驗(yàn)過程

邁克爾遜和莫雷制造了一部干涉儀來檢測這種速度的差異。這種干涉儀工作的原理是，一個(gè)光源對著一面半反射鏡(和從外面看像鏡子，從里面看是透明的太陽眼鏡很像)射出一束光。半反射鏡把這一束光分為透射光與反射光，兩者互成正角行進(jìn)一段相同的距離然后折回。折回之后，經(jīng)由同一面半反射鏡再恢復(fù)為原來的光，然后射進(jìn)干涉儀里面。我們只要觀察這兩股光聚合之后在干涉儀里面產(chǎn)生的干涉形態(tài)，就可以斷定兩者速度的差值。

• 檢測到的結(jié)果令人不安

但是，在做完這個(gè)實(shí)驗(yàn)之后，我們卻測不到兩者的速度有何不同。將干涉儀方位調(diào)整九十度，使原來逆以太風(fēng)的光變?yōu)闄M越以太風(fēng)，原來橫越以太風(fēng)的光轉(zhuǎn)為逆以太風(fēng)，然后再測量兩者的速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者速度依然一樣。換句話說，邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn)沒有辦法證明以太的存在。這樣，物理學(xué)家若無法找到合理的解釋，便不得不面對兩種令人不安的選擇，一個(gè)是，地球不動(dòng)(而哥白尼錯(cuò)誤),再一個(gè)是，以太不存在。但是兩者都令人難以接受。

這種無解一直要到1892年，一個(gè)愛爾蘭人名喚菲茨杰拉德( Georg Francis Fitz Gerald)提出一個(gè)驚人的解釋之后，才算有了一個(gè)比較好的假說。

菲茨杰拉德收縮—對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的假設(shè)

菲茨杰拉德說，也許以太風(fēng)的壓力會(huì)壓縮物質(zhì)，好比有彈性的物體在水中前進(jìn)會(huì)在前進(jìn)的方向上變短一樣。果真如此的話，那么干涉儀上正對以太風(fēng)的指針，必然比不正對的指針短了一些。所以光在以太風(fēng)中進(jìn)行而后再折回如果速度減慢，干涉儀也就測不出來，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候光行走的距離也縮短了。事實(shí)上，干涉儀上面指向以太風(fēng)的指針變短的量，如果與光速減慢以后通過這支指針的量相當(dāng)，那么實(shí)驗(yàn)中的兩束光將同時(shí)回到千涉儀。因?yàn)?，速度快的光束走了比較長的距離，速度慢的光束走了比較短的距離。

菲茨杰拉德

菲茨杰拉德的假說比起其他假說有一個(gè)很有利的地方，那就是，他的假說不可能反證(亦即證明為假)。他只說到運(yùn)動(dòng)方向上一種單維度的收縮，這種收縮隨速度的增加而增加。不過要點(diǎn)在于所有的東西都會(huì)收縮。我們并不能觀察檢測到，這可以說是最開始的尺縮效應(yīng)。

洛倫茲發(fā)展假設(shè)后，距離狹義相對論僅一步之遙

菲茨杰拉德提出這個(gè)假說之后，時(shí)隔一年荷蘭物理學(xué)家洛倫茲(HendrikAntoon Lorentz)證明了菲茨杰拉德的假說。不過，洛倫茲是用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)語言來表達(dá)他的發(fā)現(xiàn)的，這個(gè)假說于是開始為人接受。我們現(xiàn)在想想這個(gè)都假說充滿了幻想氣質(zhì)。關(guān)于菲茨杰拉德-洛倫茲收縮，洛倫茲定出來的公式后來就叫作洛倫茲變換。講到這里，舞臺已經(jīng)布置好了，布景全部就緒。檢測以太失敗，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，光速恒定，菲茨杰拉德-洛倫茲收縮，洛倫茲變換。怎么辦？

怎么辦？所以偉人誕生了

凡此一切事實(shí)，20世紀(jì)初一直困擾著物理學(xué)家，這個(gè)時(shí)候就需要一位跨時(shí)代的物理學(xué)家站出來打破人們固有的常識，洛倫茲可以說離狹義相對論就差一步，就是大膽的摒棄絕對時(shí)空觀，很顯然他并沒有做到。所以愛因斯坦的時(shí)代就此開始了。