迈克耳孙-莫雷实验

1. 实验背景与目的
   在19世纪末，物理学界普遍认为光是一种波动，需要在某种介质中传播。科学家们假设宇宙中充满了一种名为“以太”的透明物质，它是光传播的载体，且相对于绝对空间静止。如果“以太”存在，地球在绕太阳公转时，必然会相对于“以太”运动，从而产生“以太风”。迈克耳孙和莫雷设计的实验，目的就是为了探测这种“以太风”对光速的影响，从而证实“以太”的存在。

2. 核心原理：光的干涉
   实验的核心工具是迈克耳孙干涉仪。它的工作原理是：将一束光用半透半反镜分成两束，一束沿着地球运动的方向传播，另一束垂直于这个方向传播。两束光经过反射镜反射回来后重新汇合，发生干涉，产生明暗相间的干涉条纹。如果存在“以太风”，那么沿着不同方向传播的两束光，相对于“以太”的速度会不同，返回汇合的时间也会不同，导致干涉条纹发生移动。

3. 实验设计与“零结果”
   1887年，迈克耳孙和莫雷进行了极其精密的实验。他们将干涉仪安装在浮于水银槽的石板上，可以平稳地旋转方向，以测量不同方向上的光程差。根据经典物理理论预测，当仪器旋转90度后，两束光的作用互换，应该能观测到明显的条纹移动。然而，无论实验精度多高，在不同季节、不同时间重复实验，他们都未观测到预期的条纹移动。这个结果被称为“零结果”。

4. 结果的意义与困惑
   “零结果”意味着探测不到地球相对于“以太”的运动。换言之，光速在各个方向上似乎都是相同的，与观测者的运动状态无关。这一结论直接冲击了“静止以太”的理论基础，也与牛顿力学的经典速度叠加法则相矛盾。这个结果在当时成为了物理学天空中的一朵“乌云”，让许多物理学家感到困惑，并尝试提出各种修补理论（如“以太拖拽说”）来解释，但都不成功。

5. 对现代物理学的革命性影响
   迈克耳孙-莫雷实验的“零结果”为爱因斯坦创立狭义相对论提供了关键性的实验依据。1905年，爱因斯坦提出两条基本假设：物理定律在所有惯性系中相同，以及光在真空中的速度对任何观测者都是常数。他完全摒弃了“以太”的概念，认为光速不变是一个基本原理。迈克耳孙-莫雷实验恰好是光速不变原理最直接的实验验证之一，它标志着经典物理学的革命，并开启了现代物理学的新纪元。