迈克尔逊－莫雷实验，是依据经典物理的理论，试图通过采用光的干涉方法证实“以太”存在的一项著名的物理实验。这项实验由于没有达到预期的目的，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个发端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。这项实验工作，是由一位名叫迈克尔逊的美国年轻科学家于1881年在德国开始搞起来的。

概述

实验背景

实验结果

实验原理

实验再验证

实验结果的解释

实验说明了什么

概述

美国物理学家迈克耳逊和莫雷共同所做的企图证明“以太”存在的实验。以前人们认为光是由无质量、绝对静止的“以太”这种媒质传播的。由于地球在运动，所以在地面上做实验，向不同方向发出的光线的传播速度应不同。迈克耳逊和莫雷在1887年用精确度很高的干涉仪多次测定，得到的光速大小均相同，从而确立了“光速不变原理”；并为进一步实验否定以太的存在奠定了基础。

实验背景

19 世纪流行着一种“以太”学说, 它是随着光的波动理论发展起来的。那时,由于对光的本性知之甚少, 人们套用机械波的概念, 想像必然有一种能够传播光波的弹性物质, 它的名字叫“以太”。许多物理学家们相信“以太”的存在, 把这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系, 用实验去验证“以太”的存在就成为许多科学家追求的目标。

当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。

实验结果

为了寻找“以太”,许多科学家进行了大量的工作,最为有名的是迈克耳孙和莫雷所进行的一系列实验。根据理论推导和实验的精度, 他们认为如果“以太”存在的话,会有预期的实验现象出现--两束光的干涉条纹移动, 实验却得到了否定的结果。

实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。当时迈克耳逊因此认为这个结果表明以太是随着地球运动的。

实验原理

装置如图所示，整个装置可绕垂直于竖直轴转动，P是半镀银镜，M1和M2是两反射镜，互相垂直，PM1=PM2固定不变。从光源S发出的光经P分为两束，再经M1、M2反射后到达目镜T处。这两束光是相干光。假设地球相对于以太沿PM2运行，那么光经PM2来回的时间要长，这两束光在O点相遇时有一定的相位差，因此从T处应该看到这两束光的干涉条纹。

迈克尔逊和莫雷将干涉仪装在十分平稳的大理石上，并让大理石漂浮在水银槽上，可以平稳地转动。并当整个仪器缓慢转动时连续读数,这时该仪器的精确度为0.01% ,即能测到1/100条条纹移动，用该仪器测条纹移动应该是很容易的。迈克尔逊和莫雷设想：如果让仪器转动90度，光通过OM1、OM2的时间差应改变，干涉条纹要发生移动，从实验中测出条纹移动的距离，就可以求出地球相对以太的运动速度，从而证实以太的存在。但实验结果是:未发现任何条纹移动。在此之后的许多年,迈克尔逊-莫雷实验又被重复了许多次,所得都是零结果。

实验再验证

1893年洛奇在伦敦发现，光通过两块快速转动的巨大钢盘时，速度并不改变，表明钢盘并不把以太带着转。对恒星光行差的观测也显示以太并不随着地球转动。

人们在不同地点、不同时间多次重复了迈克耳逊－莫雷实验，并且应用各种手段对实验结果进行验证，精度不断提高。除光学方法外，还有使用其他技术进行的类似实验。如1958年利用微波激射所做的实验得到地球相对以太的速度上限是3×10-2km/s，1970年利用穆斯堡尔效应所做的实验得到此速度的上限只有5×10-5km/s。综合各种实验结果，人们基本可以判定地球不存在相对以太的运动。

实验结果的解释

1.乔治·菲茨杰拉德（GeorgeFitzGerald）在1892年对迈克耳逊－莫雷实验提出了一种解释。菲茨杰拉德指出如果物质是由带电荷的粒子组成，一根相对于以太静止的量杆的长度，将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定，而量杆相对于以太在运动时，量杆就会缩短，因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变这些粒子之间的间隔平衡。这一来，迈克耳逊－莫雷实验所使用的仪器，当它指向地球运动的方向时就会缩短，而缩短的程度正好抵消光速的减慢。有些人曾经试行测量菲茨杰拉德的缩短值，但都没有成功。这类实验表明菲茨杰拉德的缩短，在一个运动体系内是不能被处在这个运动体系内的观察者测量到的，所以他们无法判断他们体系内的绝对速度，光学的定律和各种电磁现象是不受绝对速度的影响的。再者，动系中的短缩，乃是所有物体皆短缩，而动系中的人，是无法测量到自己短缩值的。

2.里茨在1908年设想光速是依赖于光源的速度的，即运动光源所发射出来的光线速度与光源速度以矢量方式相加，光速，也就是以太流的影响被以太内的光速和光源的速度所抵消。一般称为弹道假说，企图以此解释迈克耳逊－莫雷实验。弹道假说由天文学上观测双星运动结果易于排除，德·希特于1931年在莱顿大学指出，如果是这样的话，那末一对相互环绕运动的星体将会出现表观上的异常运动，而这种现象并没有观察到。观测发现，光的速度与光源的速度无关。由此也证明了爱因斯坦提出的光速和不受光源速度和观察者的影响是正确的，而且既然没有一种静止的以太传播光波振动，牛顿关于光速可以增加的看法就必须抛弃。

3.1904年，荷兰物理学家洛仑兹提出了著名的洛仑兹变换，用于解释迈克尔逊-莫雷实验的结果。通过以太的运动物体，纵向线度发生收缩（平行运动方向），其收缩的比例恰好使以太流的影响被抵消。收缩长度与原来长度之间的关系具有形式。这一假说称为收缩假说，由洛伦兹和斐兹杰惹所提出。根据他的设想，观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩，抵消了不同方向上由于以太所造成的光速差异，这样洛仑兹就在不抛弃以太概念的前提下解释了迈克尔逊-莫雷实验的结果。

4.1905年，爱因斯坦在抛弃以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。结合狭义相对性原理和上述时空的性质,也可以推导出洛仑兹变换。

实验说明了什么

波的干涉现象是波和传播介质之间的最基本物理规律之一。基于光的波动性，如果光传播须要传播介质“以太”，而且介质“以太”不是相对于空间绝对静止的话，则迈克尔逊-莫雷实验将会发现光波的干涉条纹移动，实验却得到了否定的结果。据此，现代大多数物理学家有理由认为“以太”是不存在的，“以太”正逐渐退出了历史的舞台。