光速不变原理的证明（科学爱好者）

01

前言

得益于互联网时代的高超技术和大量科普作者的辛勤工作，作为现代物理最重要的基础理论之一的“光速不变”，已经是一个妇孺皆知的概念了。

那么，“光速不变”理论这么重要，最早是谁发现的？又是如何被发现的呢？

光速不变

本文带你了解“光速不变”理论的前世今生，并介绍一个物理学重要实验——1887年的“迈克尔逊-莫雷”实验（Michelson-Morley Experiment）。

本文字数约为2100字，有一定深度和难度，估计阅读时间10+分钟。

02

光速的测量

在知道“光速不变”之前，必须要测量光速；而测量光速，可是个难度超高的技术活儿！

原因是什么呢？当然是因为光速太快了呀！

光每秒可绕地球赤道7.5圈

之前苏格爸专门写过一篇文章来介绍光速测量的历史，其中介绍了历史上著名的有关测量光速的实验和故事。

其中就有我们的主角迈克尔逊的重要贡献：棱镜法测光速。

点击链接获取：宇宙最快的「光速」是如何测量的？带你了解光速测量的有趣历史

本文中给大家介绍的是迈克尔逊和莫雷的另一个更重要的实验：通过利用“光的干涉”原理，得以非常精确的判断光速是否变化，从而计算出地球在以太中漂移的速度。

03

实验背景

迈克尔逊-莫雷实验之所以如此重要，就是因为其在极高的精度上证明了光速不变；但有趣的是，这个实验本身是为了测量“光速的改变”——这种改变，在迈克尔逊和莫雷心中是提前预设好的。

迈克尔逊

之所以有这种预设，是因为当时科学界流行着这样一种理论——“以太说”。在当时的物理界普遍认为“以太”是传播光和电磁波的媒介（当时还不知道光就是电磁波）。

关于“以太说”，点击链接：

经典物理概念“以太”：从提出到被证伪，科学也可以如此跌宕精彩

以太是否存在？

那么如何验证以太的存在呢？

方法就是：测量地球在“以太”中运行的速度（以太漂移速度）。

当时的科学家已经知道，地球绕太阳公转的速度大约为30公里每秒钟，相对于光速已经不算小（达到了光速的万分之一）。

所以迈克尔逊就开始着手设计实验了——利用光的干涉原理，通过精确测量光速的变化来计算地球在“以太”中的速度——因此就有了这个迈克尔逊-莫雷实验。

为什么测量光速的改变就可以测量地球在以太中的运行速度呢？

下面让我们来具体介绍！

04

实验原理

（1）仪器介绍：

如图就是迈克尔逊干涉仪的原理图。

已知ABCD四点到中心分光玻璃片的距离相等，都是R。

从光源发出的光，经过分光的玻璃片编程两束：一束直接透射（图中绿色的光），我们称其为第一束光；一束被反射（图中蓝色的光），我们称其为第二束光。两束光都被之后的镜面反射，又回到中间的分光玻璃片，蓝光透射，绿光反射。最终，两束光又汇聚到了一起，到底最后的观测仪器上。

从图中看，两束光都经过了4次半径的距离，不同的是：

第一束光一共经过了一横三竖，而第二束光经历了一束三横。

这种路径的不同，就为我们计算光速的变化提供了可能。

（2）开始实验：

我们把这个仪器整体朝着向左的方向运动，速度为v。

那么水平方向光相对于仪器的的传播速度就是“c+v”（当光束逆着运动方向）和“c-v”（当光束顺着运动方向）；竖直方向上，光速还是“c”。

所以从光源发出光，到达到接收器，第一束光用时t1，第二束光用时t2，时间差△t，光程差△L分别是：

（3）结果处理：

注意：为了方便计算，对数据进行了处理，不影响一般性。

在实验中，使用的光的波长为x=500纳米。把地球作为我们的“座驾”，地球运行的速度大约为v=30公里每秒，也就是真空中光速的0.01%。半径取值R=1米。

带入数据得到：

光程差△L为4%的波长，也就是说干涉条纹会移动0.04个条纹距离——这在干涉仪上是个很明显的现象了。

但是，当实验在1881年4月完成时，出乎迈克尔逊的意料，看到的条纹移动比预期要小，而且和地球的运动没有固定的位相关系。

于是，迈克尔逊大胆做出结论：“结果只能解释为干涉条纹没有位移。可见，静止以太的假说是不对的。”

（4）更精确的实验

后来在1887年，迈克尔逊和莫雷把实验精度提高到了10倍，达到0.4个波长。实验仪器有61米长，1.5米高。但是，结果依然不变——依然没有干涉条纹的移动。

至此，“光速不变”被郑重提出，物理学家开始认真考虑这个现象会对现有物理学理论的大厦会有什么影响。

1913年，1921年，以及1929年迈克尔逊又多次重复了他的实验，得到的都是零结果。

05

影响是巨大的！

零结果的迈克尔逊-莫雷实验，引起了学术界的震动。

虽然一直致力于发现以太漂移实验的正结果，但是迈克尔逊没有牵强附会，而是尊重实验结果，在1929年，迈克尔逊郑重宣布没有发现绝对速度，以太并不存在，这极大的支持了狭义相对论。

这个实验意义重大，它撬动了19世纪占据统治地位的“以太说”，动摇了经典物理学的根基，为爱因斯坦最终创立狭义相对论铺平了道路。

爱因斯坦蜡像

爱因斯坦曾经亲口对迈克尔逊说过：

“在您（迈克尔逊）开始工作时，我还是个小孩子，只要一米高。正是您，将物理学家引向新的道路，通过您的精湛的实验工作，铺平了相对论发展的道路。您揭示了光以太理论的隐患，激发了洛伦兹的思想，狭义相对论正是由此发展而来的。没有您的工作，这个理论今天顶多只是个有趣的猜想罢了，您的实验使之得到了最初的实际基础。”

没有迈克尔逊-莫雷实验，相对论可能只是一个有趣的猜想罢了！

这就是该实验最重要的意义！

（完）

更多精彩内容，点击关注后获取。

深度科学爱好者：本文配合以下两篇文章阅读，效果更佳~

宇宙最快的「光速」是如何测量的？带你了解光速测量的有趣历史

经典物理概念“以太”：从提出到被证伪，科学也可以如此跌宕精彩

奇妙物理，妙悟其理：《奇妙物理》系列简介（上）

奇妙物理，妙悟其理：《奇妙物理》系列简介（下）

“云彩”和“雪线”如何形成？科学解密“高处不胜寒”的真实原因

何为“宇宙”？何为“世界”？人类时空观念的变迁史