牛顿用木桶实验论证绝对时空，“以太”却被迈克耳孙和莫雷宣布死刑
各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师
今天 我们 想 讨论一下
爱因斯坦 为什么 要 提出 狭义 相对论
为了 解释 这个 问题
首先 我们 必须 从 物理学
在 近代 刚刚 开拓 的 一个 人物 说起
这个 人物 就是 伽利略
伽利略 在 他 的 名著
《 关于 两种 世界 体系 的 对话 》 里面
提出 了 著名 的 相对性 原理
也 叫 伽利略 相对性 原理
伽利略 相对性 原理 是 说
在 一个 惯性 参考系 内部
你 无法 通过 实验 来 确定 这个 惯性 参考系 的 速度
比如说 如果 有 一个 车 在 地面 上 静止
我们 在 车里 做 物理 实验
比如 做 一个 物体 自由落体 的 实验
我们 会 发现 它会直 着 往下掉
那么 如果 这个 车是 运动 的
最初 这 列车 正在 匀速 向 右 运动
一个 小球 掉下来 的话
从 地面 上 看 这个 小球 会 斜 着 走
原因 是 小球 具有 初速度
所以 它 水平 方向 跟车
一样 以 速度 v 运动 竖直 方向 又 自由落体
所以 它 的 合速度 是 斜 着 的
小球 会 斜 着 走
但是 如果 这个 人站 在 车里 去 看
小球 依然 是 竖直 状态 竖直 向 下落 的
这 也 就 和 第一种 情况 一样
换句话说 伽利略 说
你 在 这个 封闭 车厢 里 做 的 所有 物理 实验
都 没有 办法 确定 这个 封闭 车厢 的 速度
那么 我们 到底 能 不能 确定 一个 参考系 的 速度 呢
牛顿 又 提出 了 第二个 理论
牛顿 说 绝对 参考系 是 存在 的
它 可以 通过 一个 水桶 实验 证明 这件 事儿
牛顿 水桶 实验
牛顿 说 我们 把 一个 水桶 里面 装上 水
这个 水桶 装上 水
本来 这个 水面 应该 是 平 的 应该 是 平 的
但是 如果 我们 让 这个 水桶
绕 着 中间 这个 轴 旋转 起来
我们 就 会 发现 这个 水桶 它 不再 是 平面 了
而是 出现 了 一个 凹形 的 水面
这 就是 当 它 旋转 起来 的 时候
于是 牛顿 提出
你 看 如果 这个 系统 是 静止 的
那么 这个 水面 就是 平 的
如果 这个 系统 是 运动 的
那么 这个 水面 就是 凹 的
从此 我们 可以 通过 是 平是 还是 凹
来 判断 这个 系统 到底 是 静止 的 还是 运动 的
对于 牛顿 的 这种 说法
它 的 直接 结论 就是
自然界 存在 一种 绝对 静止 的 参考系
人们 可以 把 这种 参考系 称为 以太 参考系
但是 对于 这种 理论 也 有 很多 不同 的 意见
比如说 马赫 就 说 牛顿 这个 想法 是 错 的
因为 这个 水桶 旋转 实际上 是 相对 于 日月星辰
如果 你 让 水桶 不 动 日月星辰 旋转 起来
那 水桶 也 会 里面 的 水面 向下 弯
谁 对 谁错 似乎 成 了 一个 哲学 问题
人们 也 无法 争论
直到 后来 人们 发现 了 光 可以 在 真空 中 传播
我 这个 问题 变得 越来越 尖锐 了
为什么 呢
因为 我们 知道 一个 波 传播 是 相对 于 介质 的
但是 光 可以 在 真空 中 传播
那 真空 的 介质 又 是 什么 呢
人们 重新 回到 了 以太 这个 问题 上
于是 有 形形色色 寻找 以太 的 实验
比如 著名 的 迈克尔 逊 － 莫雷 实验
就是 寻找 以太 的
迈克尔 逊 我们 在 上 一个 视频 中 已经 谈到 了
迈克尔 逊 莫雷 这 是 两个 人 寻找 以太 的 实验
那么 这个 实验 是 怎么 做 的 呢
咱们 大概 说 一下
迈克尔 逊 － 莫雷 实验 是 这样 说 的
就是 我们 知道 假如 说 光是在 以太 中 传播 的
而 以太 相对 于 地面 又 有 一定 的 速度
那么 假如 说 这有 一个 光源
那么 以太 它 相对 于 地面 的 速度 是 v
于是 我们 就 知道
这个 光源 向 右 发出 的 光 相对 于 地面 上 看
速度 就 已经 不是 光速 c 了 而是 什么
而是 c+v 为什么 呢
因为 光速 是 相对 于 以太 的
而 以太 的 速度 是 v
所以 光 相对 于 地面 就是 c+v
如果 这个 光向 左 传播 它 就 会 逆 着 以太 运动
因为 它 相对 以太 的 速度 是 v
所以 它 相对 于 地面 的 速度 就是 c-v
如果 这个 光 想 相对 于 地面 向上 发射
速度 又 是 多 大 呢
你 要 注意
因为 光速 是 相对 于 以太 的
以太 在 向 右 运动
所以 如果 你 希望 这束 光 相对 于 地面 发射
那么 相对 于 以太 光 必须 是 斜 着 发 的
也就是说 相对 以太 的 速度 c 是 这样
在 这个 速度 下 光速 可以 进行 分解
有 一个 向 左 的 速度 v 以 抵消 以太 的 速度
这样一来 它 才 可以 相对 于 地面 向上 发
于是 光 向上 发 的 这个 速度 就是
√(c²-v²) 勾股定理 对 吧
那么 迈克尔 逊 和 莫雷 就 通过 这种 方法 寻找 以太
他 的 实验 装置 是 这样 的
让 一束 光 发射 过来
发射 过来 之后 这里 有 一个半 反半 透镜
半反半 透镜
那么 这束 光 可以 发生 反射 向上 发射
经过 一个 平面镜
反射 之后 再 回来
回来 之后 经过 这个 玻璃 折射
然后 向下 发射
进入 到 一个 接收 装置 当中
那么 这束 光 也 可以 在 这 透过去
因为 它 是 半 反半透 的
我们 换 一种 颜色 的 笔
说 一下 透射 光
这个 透射 的 光 透射 过来 了
透射 过来 了 之后 往前 传播
往前 传播 的 时候 这里 也 有 一个 反射镜
通过 反射镜 反射 再 向下 传播
那么 于是 就 会 出现 两束 光 1 和 2
这 两束 光 我们 假设 以太 是 正在 向 右 运动 的
那么 我们 知道 当 你 过去 的 时候
光速 相对 于 地面 就是 c+v
而 回来 的 时候 光速 相对 于 地面 是 c-v
所以 来回 一次 的 时间 t2 就 出来 了
是 L/(c+v)+L/(c-v)
这个 L 是 这个 距离
那么 如果 你 先 向上 发 又 向 下发
这个 速度 我们 刚才 推导 出来
就是 √(c²-v²)
我们 让 这个 距离 也 是 L
所以 它 上下 来回 一次 的 时间 t1
就是 2L/√(c²-v²)
显而易见 这 两个 时间 是 不 相等 的
因为 这 两个 时间 是 不 相等 的
所以 我们 探测 一下 这 两束 光
到达 这个 光屏 时 的 条纹 间距
干涉 条纹 的 变化
就 可以 知道 时间差
进而 我们 就 可以 算 出 地面
和 以太 之间 的 相对速度
原本 迈克尔 逊 和 莫雷 是 希望 做到 这 一点
但是 他们 做 了 很 多次 实验
怎么 也 找 不到 这个 以太 的 速度
人们 说 那 是不是 说 以太 相对 于 地面 是 静止 呢
这 也 不 可能
为什么 呢
因为 地球 是 在 围绕 太阳 旋转 的
地球 在 围绕 太阳 旋转 的 时候
它 每时每刻 的 速度 是 不 一样 的 对 吧
那么 你 不 可能 以太 一直 都 相对 于 地球 是 静止 的 吧
于是 这 就 成为 一个 物理学界
这个 阴魂不散 的 阴云
称之为 两朵 乌云 之一
人们 找 不到 以太
但是 因为 光在 传播 中 需要 一个 介质
人们 又 需要 以太
这个 问题 怎么办
人们 始终 没有 想 明白
直到 18 年 之后 爱因斯坦 出现 了
爱因斯坦 说 其实 光 的 传播 是 不 需要 参考系 的
换句话说
光在 所有 参考系 中 传播速度 都 是 一样 的
爱因斯坦 的 这个 结论
才 真正 解释 了 以太 为什么 是 不 存在 的
那么 如果 以太 是 不 存在 的
光 相对 于 任何 参考系 的 速度 都 一样
自然 就要 引出 一个 结论
不同 参考系 下 它 的 空间 距离 和 时间
都 是 要 有 变化
那么 这个 内容 我们 会 在 后面 的 视频 中
给 大家 进行 讲解
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