各位读者好，欢迎大家来到科学认识论的专栏《相对论通俗11讲》第二讲：牛顿绝对时空观与实验不符，以太论被否定

　　第一讲我们已经说过了，牛顿的绝对时空观由主观臆测得出，并不没有严格的逻辑推理。但由于牛顿的权威震慑，绝对时空观依旧统治物理学界200年左右。从19世纪开始，牛顿力学就开始和实验相矛盾，这主要体现在光速和以太问题上。牛顿力学中的速度叠加原理就预示着宇宙中没有极限速度，也没有绝对速度，因为速度之间可以肆意的叠加起来，同一个物体参考了不同的物体，其运动速度就不一样了！比如说，在我现在在火车厢里走动，理论上我有好多种速度。我可以相对于我的车座的速度是1m/s，也可以相对于地面的速度101m/s，我还可以有相对于太阳的速度等等.....

　　上一讲我们说过牛顿是不愿意相信自然界存在超距作用的，那么天体之间的万有引力是怎么回事？

　　太阳对地球有吸引力，而且太阳到地球之间都是真空，那么太阳是怎么把力作用到地球上的？为了不让引力是超距作用，这就必然需要一种物质来充当地日之间关于引力传递的介质。但是这个物质又迟迟找不到啊，那么在牛顿力学中就势必要假想出一种物质来充当宇宙中万有引力所需的介质，这种“物质”就是以太。以太早在公元前3世纪就被亚里士多德提出，而笛卡尔第一次把以太引入到科学理论中，用来防止超距作用的出现。之后包括惠更斯，牛顿等人也继承了以太理论！

　　牛顿曾经以为引入以太就可以完美的解决了超距作用的问题。最尴尬的事情发生在19世纪中叶，这时候麦克斯韦发展出来全新的电磁理论，预言了电磁波的存在，而且认为光就是一种电磁波，并得出了一个方程组。这就是著名的麦克斯韦方程组。当然最开始的麦克斯韦方程组是由20个方程和20个变量组成的，后来经过奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯以矢量形式表述为四个方程，分别是电荷是如何产生电场的高斯定理；论述了磁单极子的不存在的高斯磁定律；电流和变化的电场是怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律，以及变化的磁场是如何产生电场的法拉第电磁感应定律。

　　麦克斯韦

　　根据麦克斯韦的电磁理论得出了真空中的光速是一个定值，重要是事再说一遍，真空中的光速是定值！！！当然这是违背牛顿的速度叠加原理的，因为在牛顿那里，不管是什么速度，都没有绝对数值！牛顿力学的信奉者试图调解麦克斯韦电磁理论和牛顿力学的矛盾，但一切都是徒劳的。

　　在那个时代，牛顿力学统治物理学将近200年了，不能因为一个电磁理论就推翻了牛顿。但这个矛盾该怎么解决呢？这时候大家这时候把希望又寄托在了以太身上。牛顿力学的信奉者解释道：“以太是充斥在整个宇宙中，而且是绝对静止的。”这样看来问题可算是解决了，因为真空中的光速只有在绝对静止的参考系中才有固定的数值，而以太就是绝对静止的。所以那时候的人们认为麦克斯韦的真空中的光速定值只是相对于以太是成立的，这样这个问题就看似解决了。

　　可是新的问题又来了，以太看不见摸不着，又没有确凿的证据证实它，把所有期望寄托在未被证实的以太上是不是有点鲁莽？所以当时很多人都急着验证以太的存在。

　　历史上，验证以太存在的实验有很多，但最重要的无疑是迈克尔逊和莫雷两人合作的实验。当时的科学家相信，如果以太存在，那么我们就可以测量出以太相对于地球的速度。科学家知道地球每天绕太阳公转，其速度大概是30km/s，而以太既是绝对静止，又是充满了宇宙。那么地球绕太阳公转，可以视地球为参照物，那么以太就会以30km/s的速度吹向地球，这就是“以太风”。因此迈克尔逊和莫雷尝试利用光的干涉这一特性证明以太是否存在。

　　迈克耳逊莫雷实验的具体原理是下段描述。其实验结论就是否定了以太的存在，并验证了真空中的光速是定值。 如果你感觉这个实验原理繁琐，也可以跳过不看。只有记住结论就行，这完全不影响对后面内容的理解！

　　迈克耳逊莫雷实验演示图

　　实验具体原理是这样的：一从激光器发出的光，通过分光镜分为两束光即光1和光2，光1经过一个反光镜反射再通过分光镜投射到观测屏，同理光2也是如此。若以太存在，则光束1和光束2经投射与反射到达观测屏时，存在时间差并存在明确的干涉条纹的移动个数。但是实验的结果就是大大出乎所有人的意料，从观测屏上看到的条纹移动比预期值小得多，而且与地球的运动没有确定的位相关系，因此迈克尔逊认为以太风根本不存在。因此这个实验表明光速在所有惯性系中测量到的真空中光速沿各方向都等于c，与光源和观察者的运动状态无关，否认了以太的存在。

　　不管是麦克斯韦方程组预言的真空中的光速不变，还是迈克耳逊莫雷实验都是

　　牛顿力学的晴天霹雳，前者从理论上否定了牛顿的光速可变理论，后者从实验上支持了前者！

　　这一切都显得那么的尴尬，谁来解围呢？下一讲，我们就开始引入“解围者”洛伦兹！

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