壓軸大戲即將上演，科學史上最成功的失敗

本章的壓軸大戲即將上演，在上演之前，我必須提醒你提到的所有實驗你都可以看完之後忘掉，唯獨這個「麥克爾遜莫雷實驗」你千萬不能忘掉，隨便打開任何一本物理學史書，或者打開任何一本關於相對論的書，甚至隨便打開一本科學史書，都一定會提這個實驗。如果你記不住麥克爾遜莫雷這麼拗口的五個字，那你也可以記住「MM實驗」，很多書上都這麼叫；如果你連「MM實驗」四個字也記不住，那麼你就記住「美眉實驗」。總之，這個實驗對於整個物理學史甚至對於整個人類的科學史都有著舉足輕重的地位，它是給經典物理學帶來狂風暴雨的兩朵烏雲之一。這個實驗剛好是發生在世紀之交，怎麼都有一種看史詩大片的感覺，它喻示著物理學新舊兩個世紀的交接。所以，我需要在這個實驗上多花一番筆墨，讓大家對這個實驗了解得多一點。當你看完以後跟人閑聊的時候，如果還能記得聊一聊「MM實驗」，將是筆者莫大的榮幸。

（以下麥克爾遜和莫雷的對話為虛構）

麥：「莫雷，你先說說看，你對這個實驗怎麼想？」 莫：「麥克兄（莫雷比麥克爾遜小14歲，所以莫雷尊稱麥克爾遜一聲兄，但聽起來有點像是在說麥克風）,光速在順風和逆風的理論差值是30公里每秒，而光速是30萬公里每秒，這意味著我們的實驗精度必須要達到萬分之一才行，以我們現在的實驗條件，似乎離這個精度還差得很遠。」

麥：「這個情況我很清楚，所以想聽聽你的想法，討論一下我們怎麼才能解決這個難題。」

莫：「在短期內提高實驗精度這條路估計是走不通的，我們必須繞開直接測量光速，要想一個什麼間接方法來測量才行。」

麥：「莫雷，我跟你的想法是一樣的，肯定不能硬著頭皮去測量，必須要想點兒什麼別的辦法。我想，我們是不是先把測量出絕對數值的目標放低一點，我們第一步先想出一個可以比較兩束光誰快誰慢的辦法。其實我們只要先能得出在順風逆風中光速有差異，就邁出了勝利的第一步。」

莫：「麥克，你說得很對，我們把達成目標分成兩段，先想出第一段如何達成，你是不是已經想到什麼好辦法了？就別賣關子了。」

麥：「我想到了英國人托馬斯?楊（Thomas Young，1773～1829 ）發現的光的干涉現象，我們或許可以利用這個特性來比較兩束光的速度是否發生了變化。」

莫雷突然轉身面朝觀眾，說：「各位親愛的讀者，我給大家解釋一下什麼是光的干涉現象，聽說你們現代人上高中的時候都要做這個光的雙縫干涉實驗。簡單來說，就是把一束光照到兩根互相靠的很近的狹長的縫隙上，在這個雙縫的後面我們如果豎上一面白牆，我們就會在牆上看到明暗相間的條紋。

圖3-2 光的雙縫干涉實驗

這是因為，光是一種波，同一束光被分成兩束以後自己會跟自己產生干涉，所謂的干涉就是波峰與波峰相遇，強度就會增加一倍使得光更加明亮，而如果波峰與波谷相遇，則剛好互相抵消，光就會變暗，明暗相間的條紋就是這麼來的。」

莫雷轉回去，朝麥克爾遜尷尬的一笑：「不好意思，收了作者的一點小意思，我跟他保證我們之間的對話要讓讀者能聽懂的，請多多包涵哈，麥克風（一緊張把麥克兄說成了麥克風）。」

麥克爾遜表示不介意，聽說有觀眾，他表現得反而更積極了，他繼續說：「如果我們能想出一個什麼辦法，讓同一束光分別走不同的路線，一條路線是順風的，一條路線是逆風的，然後讓他們最終在會合到一起互相產生干涉現象，因為這兩束光的速度不同，因此他們產生的干涉條紋一定和我們正常情況下做出來的干涉條紋有所區別，你說對不對，莫雷？」這句話看似對莫雷講，麥克爾遜卻有意無意地側側身子，似乎是想更多地引起觀眾的注意。

莫：「麥克，你太牛了，這個點子實在是太絕了。」

麥：「我還有更精彩的沒說呢，在實驗過程中，如果我們把整個實驗裝置慢慢轉動起來，你說會發生什麼？」 莫：「我明白你的意思了，麥克。轉動實驗裝置相當於偏轉我們這艘地球大船相對於以太風航行的角度，那麼兩束光的速度也會相應地發生變化，最後反映到干涉條紋上的結果就是條紋會慢慢地移動！如果這個神奇的現象發生了，那麼就確定無疑地證明了兩束光的速度在發生著變化，麥克，你太偉大了！」

麥克爾遜突然面朝觀眾，手裡拿著張硬紙板，上面寫著「鼓掌」兩個字，很快的又轉回去了。

麥：「這個利用光的干涉性質來證明光速變化的實驗原理圖我已經想出來了，我畫出來給你看，關鍵就在於中間那塊半透鏡，它可以把光分成兩路，一路被反**90度朝上，一路直接透過去。」

圖3-3麥克爾遜 - 莫雷實驗原理圖

麥：「我發明的干涉檢測儀現在可就大有用武之地了，它比我們肉眼觀測的精度可不知提高了多少倍。我計算了一下，如果地球的航行速度真是30公里每秒的話，那麼在整個實驗裝置轉過90度以後，我們應該觀察到干涉條紋移動了0.4個條紋的寬度，我的干涉儀可以分辨出0.01個條紋寬度的移動，因此，我們的實驗精度綽綽有餘。」

莫：「不過這個實驗裝置要造起來也不容易，我們必須儘可能地消除地面震動帶來的干擾，如果整個實驗裝置的底座不穩，則很可能前功盡棄。」

麥：「這個問題我也想到了，我準備建造一個巨大的水泥台，並且把這個水泥台放到注滿水銀的水槽上，讓水泥台浮在水銀上面，這也就能有效地消除震動。」

莫：「好的，麥克，你怎麼說我就怎麼辦，別看我腦子沒你聰明，可我年輕啊，我有力氣啊，體力活兒你就交給我吧。」

莫雷在製作實驗器具方面確實是一把好手，沒過多久，MM實驗台建造完成。現在一切就緒，只欠東風了，牛頓的夙願即將實現，經典物理大廈就要落成，物理界全都在翹首以待實驗結果。所有人都對實驗結果相當樂觀，前有偉大的牛頓，後有做物理實驗尤其是測量光速的泰山北斗，一切都應該合乎邏輯，沒有人懷疑大結局必將以喜劇收場。這一年愛因斯坦還只有8歲（筆者聽到電視中傳出聲音：唯一看破真相的是外表看似小孩，智慧卻過於常人的名偵探柯南。不知道8歲的愛因斯坦是否看破了真相），此時的愛因斯坦正在痴迷地玩著父親送給他的一個小小的羅盤（愛因斯坦在回憶錄中經常提到這個羅盤），連頭都沒有抬起來看我一眼。

然而，可能讀者們已經猜到了，最終的實驗結果大跌所有人的眼鏡，麥克爾遜的干涉儀至始至終幾乎沒有觀察到條紋的任何移動，干涉條紋就像被定格在了干涉儀裡面，不論怎麼旋轉實驗裝置，干涉條紋都紋絲不動。本來這個實驗計劃要做半年，要分別測量地球在近日點和遠日點時對干涉條紋的影響，因為地球在近日點和遠日點的公轉速度不一樣。但是實驗僅僅做了4天，就停止了，因為實驗結果如此確定無疑地表明了光速沒有絲毫變化，干涉條紋根本不動，實驗值和理論預測值相差十萬八千里，這個實驗沒必要繼續做下去了，一定有什麼地方不對。

整個物理界一時嘩然，大家都明白，要麼是理論出了問題，要麼是實驗出了問題。但牛頓的絕對時空觀和以太學說都是看上去如此完美的理論，而且也符合我們的日常生活經驗，因此，當時的物理界也和此時的讀者你一樣不願意相信是理論出錯了，而都傾向於實驗本身出了問題，於是冒出來各種各樣的解釋。有的說是以太會被地球所拖拽，這就是著名的拽引說，一度特別流行；也有的說是長度在運動方向上會發生收縮剛好抵消干涉變化；還有的說是光的速度還會受到光源移動速度的影響等等……總之，各種各樣的解釋一時風起雲湧，這股熱潮一直從19世紀延續到了20世紀。但從總體上來說，所有的解釋都還是建立在相信牛頓的絕對時空，相信以太的存在，相信伽利略變換的成立，很少有人站出來質疑理論的根基是不是出了問題。

19世紀最後一天的太陽落下山了，20世紀的曙光照亮了人類寫滿滄桑的臉上，人類文明經過5000年的艱難跋涉，即將在新世紀來臨的時候迎來一次徹底的洗禮。

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