1.失敗的實(shí)驗(yàn)——邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)

1887年邁克爾遜和莫雷在美國(guó)克利夫蘭做了一組著名的實(shí)驗(yàn)，這就是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。他們利用著名的邁克爾遜干涉儀，試圖測(cè)量以太的存在。

一道光束從光源射出，經(jīng)過(guò)分光鏡（半反半透）后變?yōu)閮蓷l，其中一條穿過(guò)分光鏡，投射到反光鏡2上再反射回來(lái)，被分光鏡折射，豎直打到接收器上。

另一條光線經(jīng)分光鏡折射，投射到反光鏡1上，反射后穿過(guò)分光鏡，也打到接收器上。

按理來(lái)說(shuō)，只要分光鏡與水平面保持45°角，反光鏡1到分光鏡的距離與反光鏡2到分光鏡的距離相同，兩束光就應(yīng)該同時(shí)打到接收器上。但是人們認(rèn)為光是在以太中傳播的，當(dāng)?shù)厍蛳鄬?duì)以太運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球上的光速就會(huì)受到以太風(fēng)（以太和地球相對(duì)速度）的影響，當(dāng)時(shí)已知的最快速度是地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度，大約是30km每秒（大概是光速的萬(wàn)分之一），那么邁克爾遜和莫雷就假設(shè)地球相對(duì)以太的速度為30km/s，那么光速就不再是c，而是別的什么值。

好，記以太風(fēng)的速度為，真空中光速是（忽略空氣產(chǎn)生的微量影響）那么光束直接穿過(guò)分光鏡后速度為（逆著以太風(fēng)的方向），經(jīng)反光鏡2反射后，速度為（被風(fēng)推著），記一來(lái)一回走過(guò)的路程是，那么一來(lái)一去的時(shí)間就是

光束如果被分光鏡反射，將垂直打到反光鏡上，為了保持垂直，光速就必須分出一個(gè)水平方向上的分量來(lái)與以太的速度抵消，那么豎直方向上的分量就只剩下。同理回來(lái)時(shí)速度大小仍是這么多，所以一來(lái)一去的時(shí)間就是?？梢钥闯?，平行光一來(lái)一回所花時(shí)間是大于垂直光一來(lái)一回所花時(shí)間的，那么打到接收器上的時(shí)間自然也略有差異（其他部分中兩束光是重合的，不會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差）。這兩束光進(jìn)入接收器后，會(huì)形成干涉條紋。

將儀器平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)90°，那么此時(shí)平行光和豎直光互換了，仍會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差（而且可以理解為旋轉(zhuǎn)前的時(shí)間差是正值，這個(gè)是負(fù)值，兩者相減反而越來(lái)越大),光束到達(dá)時(shí)間的變化就會(huì)引起干涉條紋的移動(dòng)，最后計(jì)算出來(lái)，條紋的移動(dòng)數(shù)大約為。

但是結(jié)果卻大大出乎邁克爾遜和莫雷的預(yù)料——干涉條紋并沒(méi)有移動(dòng)。也就是說(shuō)，所謂的以太風(fēng)不會(huì)對(duì)光速造成任何影響。

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)中最著名的“失敗的實(shí)驗(yàn)”，它證偽了以太的存在，并挖掘出了一個(gè)深刻的公理——光速不變?cè)?，這個(gè)原理后來(lái)成為了相對(duì)論的基石之一。

2.鐘慢效應(yīng)和尺縮效應(yīng)

這兩個(gè)效應(yīng)是光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果，現(xiàn)在嘗試著去推導(dǎo)它們。

1.

假設(shè)有一輛火車相對(duì)地面高速行駛，車廂地板上有一個(gè)光源，正上方（車廂頂部）有一個(gè)反光鏡，現(xiàn)在有人跟隨火車一起運(yùn)動(dòng)，在他看來(lái)，火車是靜止的，光束會(huì)豎直打到反光鏡上再被反射回來(lái)。設(shè)車廂高為。那么經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

地面上的人也觀測(cè)到了這個(gè)事件（光發(fā)射又被反射最后被接收），但在他看來(lái)，光線并不是回到原點(diǎn)，而是走的一條折線。

假設(shè)在地面系看來(lái)，光的傳播時(shí)間是，那么在這段時(shí)間內(nèi)，車向前行駛的距離就是，光的總路程是（光速不變），那么根據(jù)勾股定理，就有，又因?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=h%3D%5Cfrac%7Bt_%7B0%7Dc%20%7D%7B2%7D%20" alt="h%3D%5Cfrac%7Bt_%7B0%7Dc%20%7D%7B2%7D%20">，所以，那么，約掉c，就是。

這就是鐘慢效應(yīng)。

2.

還是假設(shè)一輛火車相對(duì)地面高速行駛，火車的側(cè)壁上有一個(gè)光源，另外一邊有一反光鏡，某時(shí)刻光源射出一道光垂直打到反光鏡上，反射后回到光源處被接收器接收。

車?yán)锏娜苏J(rèn)為光一來(lái)一回的時(shí)間是相同的，設(shè)車廂靜止時(shí)長(zhǎng)度為，那么他觀測(cè)到的時(shí)間就是。

但地面上的人不這么想，他們認(rèn)為，開(kāi)始時(shí)光是在追車廂，反射之后變成了一個(gè)相遇問(wèn)題，前者的相對(duì)速度是，后者是（相對(duì)速度大小超過(guò)光速并不違反光速不變?cè)恚敲丛O(shè)他觀測(cè)到的車廂長(zhǎng)度為，那么時(shí)間就是，那么根據(jù)剛才的鐘慢效應(yīng)，，所以，所以，即。

這就是尺縮效應(yīng)。

3.對(duì)尺縮鐘慢的一些解釋

????尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)是光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果，但這些結(jié)論的成立有一定條件：

兩事件（發(fā)射和接受光）在車系中必須發(fā)生在同一地點(diǎn)。

4.后續(xù)

1889年，菲茨杰拉德以麥克斯韋電磁理論為基礎(chǔ)，創(chuàng)造出了菲茨杰拉德收縮理論。

1892年，荷蘭物理學(xué)家洛倫茲提出了著名的洛倫茲變換，后來(lái)成為相對(duì)論中重要的公式。

1905年，愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中給出了完整的解釋。

幾星期后，龐加萊給出了數(shù)學(xué)意義上的解釋。

最后，以一首打油詩(shī)作為本文的結(jié)尾：

有個(gè)小伙菲斯克，

出手一劍快如電，

菲茨杰拉德收縮，

長(zhǎng)劍變成短圓盤。