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「以太」已被實驗證明根本不存在,為什麼還有很多人固執地相信?
2023/11/20

    19世紀末的物理學家已經明確知曉,聲波需要通過某種介質(如空氣或水)進行傳播,而在真空環境下聲音是無法傳遞的,因為聲波必須依靠介質的分子振動而傳遞,而真空中不存在任何介質。

    因此,他們認為,這個原理應該也適用于光波,即光波也需要借助某種介質才能進行傳播。這個具有神秘色彩的光波傳播媒介有一個莫名其妙的名字——「以太」。當時的觀點普遍認為,所謂的以太是一種「透明」的「背景」物質,它們充斥在宇宙的每個角落。當時,雖然沒有任何實驗證據可證明以太的真實存在,但以太理論依然受到了學界的廣泛認可,生機勃發。而科學家們所要做的就是設計出一個能夠證實以太確實存在的實驗。

    1887年,美國物理學家阿爾伯特·邁克耳孫與愛德華·莫雷進行了一系列實驗,試圖探尋以太的存在痕跡。

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他們垂直發射兩束光,而后再使這兩束光反射回起點。(該實驗假設以太與太陽相對靜止。)其中一束光線射向地球運動的方向,徑直進入理應彌漫空間、無處不在的以太;另一束光的傳播方向則與地球運動的方向相垂直。邁克耳孫與莫雷預測,兩束光的傳播速度應不相同。

為什麼呢?

    因為進入以太之后再反射回起點的那束光應該會受到「以太逆風」的影響而減速,因此,與垂直方向傳播的那束光線相比,其速度應有所減緩。為了更好地理解這一點,讓我們分別從兩個視角來看待這個問題:從以太的視角看(即以以太為參考系)——地球以環繞太陽運行的方式圍繞以太進行運動。從地球的視角看(即以地球為參考系)——地球靜止不動,以太則朝相反方向運動,因此,從地球的角度看,勢必存在一股「以太逆風」

持續不斷地迎面吹來。(就像開車飛馳穿過靜止的空氣,假如你張開雙手伸出車窗,掌心將會感受到呼嘯而來的風力。)

    所以,倘若光速確實與以太有關,那麼,徑直進入以太并返回的光束其速度理應慢于照射方向與以太運動方向相垂直的光束。邁克耳孫在向其子女解釋實驗的預期結果時,將這兩束發射方向相垂直的光束比作兩個在河流中競賽游泳的運動員。「兩束光在進行競速比賽,」他告訴女兒,「其中一束光逆流而上,之后再原路返回起點,另外一束則往返橫渡河道(即運動方向與水流方向相垂直),在兩者游行距離相等的情況下,假如河道中真的存在奔流不息的河水,橫渡河道的游泳運動員必將贏得勝利。

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    然而,邁克耳孫與莫雷設計精密的實驗顯示,不管兩束光射往哪個方向,它們的速度都是相同的。他們反復進行實驗,把整台實驗裝置放在平台上,旋轉裝置,令相互垂直的兩束光線發射至不同方向。他們甚至還苦心等待了六個月,待到地球運動方向與太陽相反時,又再次進行實驗。但是,無論他們如何調整實驗環境,兩束光線的傳播速度都是一樣的。

    直到1905年,愛因斯坦對光的頓悟讓他得出了一個結論,即「光速不變原理」。愛因斯坦遵循過去實驗主義者的觀點——如果找不到「以太」存在的證據,那說明它就是不存在的。愛因斯坦認為,光的傳播并不需要任何介質,所以邁克爾孫-莫雷實驗才無法檢測到以太存在的痕跡。也就是說,以太是不存在的。

    應該說,在愛因斯坦之前,人們對以太的存在與否確實苦思無解,當時的科學界對以太理論深信不疑,就算實驗數據與之矛盾,科學家們也未有絲毫動搖。他們認為,這或許是因為他們對于實驗當中的某些環節了解得還不夠透徹。但當愛因斯坦的狹義相對論橫空出世,很好地解釋了光的性質,科學家們也就逐漸摒棄了「以太」的觀點。如今,隨著廣義相對論的預言被一再實驗證實,愛因斯坦理論的正確性毋庸置疑,但令人匪夷所思的是,在今天的網絡上,還是有很多人固執地相信「以太」存在,實在難以理解!

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