前言

得益于互聯網時代的高超技術和大量科普作者的辛勤工作，作為現代物理最重要的基礎理論之一的“光速不變”，已經是一個婦孺皆知的概念了。

那么，“光速不變”理論這么重要，最早是誰發現的？又是如何被發現的呢？

光速不變

本文帶你了解“光速不變”理論的前世今生，并介紹一個物理學重要實驗——1887年的“邁克爾遜-莫雷”實驗（Michelson-Morley Experiment）。

光速的測量

在知道“光速不變”之前，必須要測量光速；而測量光速，可是個難度超高的技術活兒！

原因是什么呢？當然是因為光速太快了呀！

光每秒可繞地球赤道7.5圈

之前蘇格爸專門寫過一篇文章來介紹光速測量的歷史，其中介紹了歷史上著名的有關測量光速的實驗和故事。

其中就有我們的主角邁克爾遜的重要貢獻：棱鏡法測光速。

本文中給大家介紹的是邁克爾遜和莫雷的另一個更重要的實驗：通過利用“光的干涉”原理，得以非常精確的判斷光速是否變化，從而計算出地球在以太中漂移的速度。

實驗背景

邁克爾遜-莫雷實驗之所以如此重要，就是因為其在極高的精度上證明了光速不變；但有趣的是，這個實驗本身是為了測量“光速的改變”——這種改變，在邁克爾遜和莫雷心中是提前預設好的。

邁克爾遜

之所以有這種預設，是因為當時科學界流行著這樣一種理論——“以太說”。在當時的物理界普遍認為“以太”是傳播光和電磁波的媒介（當時還不知道光就是電磁波）。

以太是否存在？

那么如何驗證以太的存在呢？

方法就是：測量地球在“以太”中運行的速度（以太漂移速度）。

當時的科學家已經知道，地球繞太陽公轉的速度大約為30公里每秒鐘，相對于光速已經不算小（達到了光速的萬分之一）。

所以邁克爾遜就開始著手設計實驗了——利用光的干涉原理，通過精確測量光速的變化來計算地球在“以太”中的速度——因此就有了這個邁克爾遜-莫雷實驗。

為什么測量光速的改變就可以測量地球在以太中的運行速度呢？

下面讓我們來具體介紹！

實驗原理

（1）儀器介紹：

如圖就是邁克爾遜干涉儀的原理圖。

已知ABCD四點到中心分光玻璃片的距離相等，都是R。

1. 從光源發出的光，經過分光的玻璃片編程兩束：一束直接透射（圖中綠色的光），我們稱其為第一束光；一束被反射（圖中藍色的光），我們稱其為第二束光。

2. 兩束光都被之后的鏡面反射，又回到中間的分光玻璃片，藍光透射，綠光反射。

3. 最終，兩束光又匯聚到了一起，到底最后的觀測儀器上。

從圖中看，兩束光都經過了4次半徑的距離，不同的是：

第一束光一共經過了一橫三豎，而第二束光經歷了一束三橫。

這種路徑的不同，就為我們計算光速的變化提供了可能。

（2）開始實驗：

我們把這個儀器整體朝著向左的方向運動，速度為v。

那么水平方向光相對于儀器的的傳播速度就是“c+v”（當光束逆著運動方向）和“c-v”（當光束順著運動方向）；豎直方向上，光速還是“c”。

所以從光源發出光，到達到接收器，第一束光用時t1，第二束光用時t2，時間差△t，光程差△L分別是：

（3）結果處理：

注意：為了方便計算，對數據進行了處理，不影響一般性。

• 在實驗中，使用的光的波長為x=500納米。

• 把地球作為我們的“座駕”，地球運行的速度大約為v=30公里每秒，也就是真空中光速的0.01%。

• 半徑取值R=1米。

帶入數據得到：

光程差△L為4%的波長，也就是說干涉條紋會移動0.04個條紋距離——這在干涉儀上是個很明顯的現象了。

但是，當實驗在1881年4月完成時，出乎邁克爾遜的意料，看到的條紋移動比預期要小，而且和地球的運動沒有固定的位相關系。

于是，邁克爾遜大膽做出結論：“結果只能解釋為干涉條紋沒有位移。可見，靜止以太的假說是不對的。”

（4）更精確的實驗

后來在1887年，邁克爾遜和莫雷把實驗精度提高到了10倍，達到0.4個波長。實驗儀器有61米長，1.5米高。但是，結果依然不變——依然沒有干涉條紋的移動。

至此，“光速不變”被鄭重提出，物理學家開始認真考慮這個現象會對現有物理學理論的大廈會有什么影響。

1913年，1921年，以及1929年邁克爾遜又多次重復了他的實驗，得到的都是零結果。

影響是巨大的！

零結果的邁克爾遜-莫雷實驗，引起了學術界的震動。

雖然一直致力于發現以太漂移實驗的正結果，但是邁克爾遜沒有牽強附會，而是尊重實驗結果，在1929年，邁克爾遜鄭重宣布沒有發現絕對速度，以太并不存在，這極大的支持了狹義相對論。

這個實驗意義重大，它撬動了19世紀占據統治地位的“以太說”，動搖了經典物理學的根基，為愛因斯坦最終創立狹義相對論鋪平了道路。

愛因斯坦蠟像

愛因斯坦曾經親口對邁克爾遜說過：

“在您（邁克爾遜）開始工作時，我還是個小孩子，只要一米高。正是您，將物理學家引向新的道路，通過您的精湛的實驗工作，鋪平了相對論發展的道路。您揭示了光以太理論的隱患，激發了洛倫茲的思想，狹義相對論正是由此發展而來的。沒有您的工作，這個理論今天頂多只是個有趣的猜想罷了，您的實驗使之得到了最初的實際基礎。”

沒有邁克爾遜-莫雷實驗，相對論可能只是一個有趣的猜想罷了！

這就是該實驗最重要的意義！