科学是人类文明进步的重要推动力,但科学的发展却并不是一帆风顺,在人类的科学史上,充斥著大量的失败,有意思的是,在这些「失败」之中,有一些也促进了科学的进步,比如说「迈克尔逊-莫雷实验」就是一个典型的例子。
人类科学史上的唯一一次:一个「失败」的实验,获得了诺贝尔物理学奖
现在的我们都知道,光具有「波粒二象性」,也就是说光同时具备「波」和「粒子」的双重性质,然而光的「波粒二象性」是在20世纪初才被发现的,而在此之前,人们一直在为光到底是「波」还是「粒子」争论不休。
进入19世纪之后,「波动说」逐渐在这场争论中佔据上风,越来越多的人相信,光其实就是一种「波」,根据当时的认知,「波」的传播是必须需要介质的,比如说声波需要在空气中传播,水波需要在水中传播,所以光作为一种「波」,也必然会通过一种介质来传播。
于是人们就将这种介质称为「乙太」,根据设想,「乙太」在宇宙中无处不在,所有的物质都在「乙太」中运动,而光也是通过「乙太」来传播。
到了19世纪后半叶,「乙太」这种概念早已深入人心,几乎所有的人都相信「乙太」必定存在,然而从科学的角度来看,只是「相信」是没有什麽说服力的,于是在1881年的时候,物理学家迈克尔逊设计了一个巧妙的实验,并试图以此来证明「乙太」的存在。
迈克尔逊认为,地球围绕太阳公转,其实就是在「乙太」中穿行,在这种情况下,地球就会遇到与地球公转速度相等的「乙太风」迎面吹来,而由于「乙太」是光传播的介质,因此在「乙太风」的影响下,在地球上向不同方向发射的光的速度就会存在著一定的差异。
根据这一思路,迈克尔逊设计了一台干涉仪,如上图所示,该干涉仪由一个光源(S)、一个分光镜(A)、两个反射镜(B和C)以及一个观测屏(T)组成,当它运行起来,就是以下这种效果。
可以看到,光从光源出发后,在经过分光镜时,会分成两束相互垂直的光,接下来,这两束光在走过完全相同的距离之后,会分别由反射镜B和C反射回来,然后经过分光镜投射到观测屏,这样就可以观测到这两束光的干涉条纹了。
(注:当两束相同频率的光波相遇时,会根据相位的不同而出现光强增强或者减弱的现象,从而产生明暗相间的条纹,这就是干涉条纹)
迈克尔逊认为,由于这两束光相互垂直,它们相对于「乙太」的速度肯定是不一样的,因此如果将干涉仪整体旋转90度,就可以让这两束光的速度「互换」,从而使原来的干涉条纹发生位移,只要在实验中发现了这种现象,就可以证明「乙太」的存在。
然而迈克尔逊的实验却失败了,无论他怎麽捣鼓这台干涉仪,都没有发现期待中的现象。
实验的失败,是不是因为干涉仪的精度不够呢?于是在接下来的大约6年的时间裡,迈克尔逊和另一位物理学家爱德华·莫雷一起设计了一个精度更高的干涉仪(相比最初的那一台,其精度整整提高了10倍),并于1887年进行了著名的「迈克尔逊-莫雷实验」。
「遗憾」的是,此次经过长时间精心准备的实验依然以失败告终,这就意味著,光速在不同惯性系以及不同方向上都是相同的,而人们之前所坚信的「乙太」,很可能并不存在。
「迈克尔逊-莫雷实验」的实验结果令当时的科学界大为震动,人们在不同的地点和时间进行了大量的重複实验,精度也在不断提升,然而都得到了相同的实验结果。在此之后,虽然人们在「乙太」的基础上对此提出了多种解释,但是都不足以令人信服。
爱因斯坦在1905年指出,既然光速在不同惯性系以及不同方向上都是相同的,那麽「乙太」就没理由存在,于是他就在以「光速不变原理」为基本假设的基础上,建立了著名的狭义相对论,从此开启了物理学的新篇章。
1907年,迈克尔逊获得了诺贝尔物理学奖,他获奖的主要原因就是「迈克尔逊-莫雷实验」,而这个实验也成为了科学史上的唯一一个,因为「失败」而获得诺贝尔物理学奖的实验。
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科学是没有国界的;因为她是属于全人类的财富;是照亮世界的火把;但学者是属于祖国的。
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