世界现代前期科技史- 第8部分

试图利用光学的方法借助灵敏的干涉仪来测定地球相对以太的绝对运动。　

　　　　　地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着太阳运动，整个太阳系以每秒　

20公里的速度在宇宙中飞驰，而我们的银河系也在以相当高的速度不停地运　

动着。如果以太是静止存在于“绝对空间”之中，那么，地球相对绝对静止　

的以太运动，地球上的实验者应能观测到“强劲的以太风”。　

　　　　　这个实验是根据麦克斯韦生前提出的设想设计的。麦克斯韦认为，若地　

球相对静止以太运动，那么，沿地球运动方向发出一个光信号到一定距离后　

反射回来，光信号往返所需要的时间应小于光信号沿垂直于地球运动方向发　

射到相等距离往返所需要的时间。　

　　　　　1881年，美国物理学家麦克尔逊用他自己发明的干涉仪进行了第一次实　

验。麦克尔逊出生于波兰，曾在柏林和波斯坦作过亥姆霍兹的奖学金研究生。　

1887年他与莫雷合作改进了这个实验，使用他亲自设计的高精度镜式干涉　

仪，大大提高了实验的精度。　

　　　　　下页右侧给出了该实验装置的示意图。　

　　　　　单色光源S发出的平行光束射到45°角放置于O处的半镀银分光板上，　

被分成互相垂直的反射和透射两股光束。透射光沿OA臂方向到达反射镜A　

后被反射回来；反射光沿OB臂方向到反射镜B后反射回来。这两股光束经O　

处分光板的透射和反射到达观测屏D处，两条光路上相差的光程由补偿板L　


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补偿。实验时，先让干涉仪的OA臂与地球相对“以太”运动的方向平行，另　

一臂与之垂直。按经典的理论，光速各向是不等的。地球沿OA臂方向相对“以　

太”运动，地球上的观测者看来，以太沿AO方向流动，光从O传播到A如逆　

水行舟，速度应为C—V，即光在静止的以太参考系中的速度减去地球运动的　

速度；光从A返回O则如顺水行舟，传播速度为C＋V。而沿OB臂传播的光　

束如横水行舟。由计算可得到，两束光传播的时间差为△T，在观测屏上将会　

看到两股相干光束的干涉条纹。然后，将整个干涉仪转过90°，使OA臂垂　

直于地球运动的方向，由计算，可得此种情况下，两股相干光束传播的时间　

差为另一值△T’。　

　　　　　前后两种情况下的时间差的变化量将会引起观测屏上干涉条纹的移动。　

麦克尔逊和莫雷当时用纳光作实验，并采用多次反射法增加干涉仪两臂的实　

验长度达11米。将有关数据代入干涉条纹移动值的计算公式后，求得干涉仪　

旋转前后，干涉条纹应移动将近半个条纹，也就是说，旋转前的明条纹应基　

本成暗条纹，而暗条纹变明。　

　　　　　但是，麦克尔逊和莫雷的实验并未观察到预期的干涉条纹的移动。他们　

在一天中的不同时间，一年中的不同季节并在地球上的不同地点多次重复了　

这一实验，而且实验本身的精度无可挑剔，但是，结果都是相同的。许多人　

重复了这个实验，也都观测不到预期的条纹移动。这个实验的结果被称为“零　

结果”。　

　　　　　实验的“零结果”振动了物理学界。人们提出了各种各样的假说试图解　

释这一“出人意料”的结果。会不会是地球正好静止于以太的海洋中，而使　

地球与以太之间的相对运动速度始终为零呢？如果接受这种设想，就意味着　

地球在整个宇宙中处于一种特别优越的地位，但是，这种地位从哥白尼时代　

便被否定了。　

　　　　　会不会是地球拖动着“以太”一起运动，所以才没有“以太风”呢？但　

菲索实验等其他实验事实又否定了这一推断。　

　　　　　还有人提出光速与光源运动有关的理论，认为，运动光源发出的光的速　

度等于光相对于光源的速度与光源运动速度的矢量和，而光相对任何光源的　

速度总是C。这种理论尚可以解释用地面上的光源所作的麦克尔逊—莫雷实　

验，但后来用日光为光源进行麦克尔逊—莫雷实验，得出的“零结果”，也　

否定了这一理论。其他实验也证明了，光速与光源的运动速度无关。　

　　　　　斐兹杰勒（1851—1901）于1889年，荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928）　

于1892年先后提出“长度收缩”的假说，认为以速度V相对“以太”　

快速运动的物体在运动方向上将按照　1
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　　　　　　　　　　　　　　x　
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解决的途径。开尔文勋爵眼光锐利地瞄准了这两朵乌云，但他和当时陶醉于　

经典物理学成就的其他人一样，都未能预见到，这两朵非同寻常的“乌云”　

正预示着以量子论和相对论为标志的物理学革命的风暴。　

　　　　　　（2）狭义相对论的创立　

　　　　　麦克尔逊—莫雷实验在爱因斯坦　（1879—1955）创立狭义相对论的过程　

中究竟起多大的作用，这个问题虽然在物理学史上仍有争论，但谁也不否认　

麦克尔逊—莫雷实验在由洛伦兹理论向狭义相对论的转变中起了重要的作　

用。爱因斯坦本人对麦克尔逊—莫雷的工作给予很高的评价，他认为麦克尔　

逊—莫雷实验“揭示了光以太理论的隐患”，“将物理学引向新的道路”，　

　“铺平了狭义相对论发展的道路”。　

　　　　　爱因斯坦在　1905年发表的第一篇关于相对论的文章《论动体的电动力　

学》中明确指出：“诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于‘光媒质’　

运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这个概念，不仅在力学　

中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方　

程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学也一样适用，对于第一级微　

量来说，这是已经证明了的。”很明显。爱因斯坦认为，麦克尔逊—莫雷实　

验的结论只能是，根本就不存在什么“以太”，也就不存在什么“以太参考　

系”。　

　　　　　爱因斯坦曾读过洛伦兹的一篇关于麦克尔逊—莫雷实验的论文　（文中提　

出了洛伦兹—斐兹杰勒收缩）。爱因斯坦在1907年发表的题为《相对论原理　

及其结论》的论文中写道，洛伦兹理论是以一种静止的、不动的光以太的假　

说为基础的，按照这个理论，地球相对以太的运动速度V与真空中的光速C　

之比的一次幂项V/C，不应该在实验中被观测到，“但是，麦克尔逊—莫雷　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　2　

实验的否定结果表明：在某种场合下，连二次幂效应（与V/C有关的项）　

也不存在，而按照洛伦兹的理论基础，它是必定可以在实验中观测到的。”　

　　　　　他认为，“理论同实践之间的那种矛盾，通过洛伦兹和斐兹杰勒的假说　

　（根据这种假说，运动物体在运动方向发生一定的收缩）可以在形式上消除。　

但是，在这方面引进的这种假说，看来只是一种拯救理论的人为方法；麦克　

尔逊—莫雷实验正好证明，在根据洛伦兹理论看来相对性原理不成立的地　

方，现象却还是符合这个原理的。从而给人这样一种印象，似乎又必须抛弃　

洛伦兹理论，而代之以一个基础同相对性原理相适应的理论，因为，这样一　

个理论允许一下子预见到麦克尔逊—莫雷实验的否定结果。”这里所指的“这　

样一个理论”正是爱因斯坦在　《论动体的电动力学》中系统提出的，后来被　

称为狭义相对论的理论。他以以下的两条基本原理作为狭义相对论的基础：　

　　　　　①相对性原理：所有惯性参考系都是等价的。物理规律对于一切惯性参　

考系都可以表述为相同的形式。不论通过力学、光学、电学或其他实验，都　

不能觉察出所在参考系的“绝对运动”。　

　　　　　②光速不变原理：真空中光速相对于任何惯性参考系沿任何方向均为　

C，且与光源的运动无关。　

　　　　　第一条原理是伽利略的力学相对性原理的直接推广。伽利略相对性原理　

肯定了一切惯性参考系的力学等价性，爱因斯坦则只是把这种等价性推广到　

电磁学、光学及一切物理规律。它是爱因斯坦所坚持的“不存在绝对运动”　

和“世界统一性”的自然观的体现。从理论的角度来看，相对性原理是容易　

接受的。　


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　　　　　在肯定麦克斯韦电磁理论的基础上，把相对性原理推广到电磁学领域，　

就要假定麦克斯韦方程在一切惯性参考系中保持不变，而这样做必须解决两　

个问题。一是要假定真空中光速保持不变，二是在电磁学领域不能保留伽利　

略变换，因为，麦克斯韦方程在伽利略变换下将发生改变，也就是说，在不　

同惯性系中，电磁现象将呈现不同的规律。　

　　　　　对麦克斯韦电磁理论的正确性，爱因斯坦是坚信不移的，他认为全部力　

学、电动力学和光学的实验事实都支持相对性原理，而且全部电动力学和光　

学实验事实也都证明光速的不变性。因此，他认为，必须把“一切惯性系中　

光速不变的假定”上升到原理的地位上，才能使初看起来有矛盾的两条原理　

统一起来。　

　　　　　而提出光速不变的原理就意味着否定牛顿力学中的速度相加定律，即否　

定经典的时空观，“同时”的概念将失去其绝对的意义，两事件的时间间隔　

和空间间隔将随参考系的不同而不同。总之，在理论、观念上都是一大突破。　

对爱因斯坦来说“这个困难确实很难解决”。　

　　　　　1922年12月，在日本京都大学的一次演讲中，爱因斯坦曾详细介绍了　

解决这一难题的经过，将伯尔尼时的同事与好友贝索对他的帮助铭刻在了创　

立相对论的历史丰碑上。他回忆道：“我在伯尔尼的一位朋友贝索意外地帮　

助了我。那天天气很好，我带着上述问题访问他。开始，我告诉他：‘最近，　

我一直在钻研一个难题。今天到这儿来，请你和我一块攻攻它。’我俩讨论　

了问题的各个方面。后来，我突然找到了问题的关键。第二天，我再次访问　

他，甚至没有问候他一声，就直接对他说：　‘谢谢你，我已经完满地把问题　

解决了。’我的解决办法是，分析时间这个概念。时间不能绝对定义，时间　

与信号速度之间有不可分的联系。使用这个新概念，我第一次完满地解决了　

整个困难。我用了五个星期完成了狭义相对论。”　

　　　　　爱因斯坦认为，要准确地表述时间概念需要认识的仅仅是，人们可以把　

洛伦兹引进的，称为　‘当地时间’的这个辅助量直接定义为‘时间’。如果　

坚持这种时间的定义，并把前面伽利略变换方程用符合新的时间概念的变换　

方程来代替，那么洛伦兹理论的基本方程即洛伦兹变换方程就符合相对性原　

理了。这样，洛伦兹和斐兹杰勒的长度收缩假说就像是理论的必然结果。　

　　　　　爱因斯坦还对第二条原理的由来作过深刻的说明：“相对论常遭到指责，　

说它未加论证就把光的传播放到中心理论的地位，以光的传播定律作为时间　

概念的基础。然而，情形大致如下：为了赋予时间概念以物理意义，需要某　

种能建立不同地点之间的关系的过程。为这样的时间定义究竟选择哪一种过　

程是无关重要的。可是为了理论只选用那种已有某些肯定了解的过程是有好　

处的。由于麦克斯韦和洛伦兹的研究之赐，和任何其他考虑的过程相比，我　

们对于光在真空中的传播是了解得更为清楚的。”　

　　　　　爱因斯坦从上述两条基本原理出发，推导出了相对论的惯性系变换公式　

——洛伦兹变换公式，创立了狭义相对论。　

　　　　　这个公式所以仍称为洛伦兹变换式是因为它是由洛伦兹首先得出的。同　

样的公式，推导的理论出发点却大不相同。洛伦兹人为引进“长度收缩”和　

　“地方时间”的假说给出了这个公式，目的在保留住以太的不动性。　

　　　　　爱因斯坦是从新理论的角度进行推导，赋予这个公式全新的革命的含　

义。在电磁理论中用这个公式代替了伽利略变换。在洛伦兹变换下，麦克斯　

韦在一切惯性系中保持了相同的形式，成功地将力学的相对性原理推广到了　


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电磁学领域。　

　　　　　洛伦兹变换在高速领域成功地替代了伽利略变换，但狭义相对论并没有　

否定伽利略变换在力学中的不可动摇的地位，没有否定力学相对性原理。在　

低速领域，即远小于光速的情况下，洛伦兹变换很自然地和伽利略变换相一　

致。　

　　　　　从狭义相对论的观点来分析，以太则是毫无用处的假说，麦克尔逊—莫　

雷实验也很容易解释：首先，一切惯性系都是等价的，麦克尔逊干涉仪所在　

的惯性系——地球也不例外；其次，光速在所有方向上都相同，那么，不论　

干涉仪如何转动，干涉条纹都不可能有移动。麦克尔逊—莫雷实验也就自然　

是“零结果”了。于是，麦克尔逊—莫雷实验——物理学史上最著名的实验　

之一则成为狭义相对论的一个最基本的实验事实。　

　　　　　狭义相对论的核心内容及深刻的革命含义包含在它的两条基本原理以及　

由这两条原理导出的洛伦兹变换式中，更表现在由洛伦兹变换导出的一系列　

推论中。这些推论所描述的空间和时间的重要性质，从经典时空观看来是难　

以理解的，但却是客观存在，并得到实验的证实。　

　　　　　　“同时”的相对性是洛伦兹变换的推论之一。由洛伦兹变换式可以很容　

易地证明，在某一惯性系中的不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性　

系的观察者看来，将是“不同