4-1 狭义相对论的历史背景

1. 牛顿时空观的困难
     19世纪末以前，人们研究的是经典物理学，它的核心是经典力学、经典热力学和经典电磁学。经典物理学具有相当严密和完整的理论体系，并在生产实践和科学实验中经过了反复的考验和证明。然而经典物理学仍存在一些内在的根本性缺陷，特别在牛顿时空观等基本观念方面尤为突出，集中表现在伽利略力学相对性原理上，其数学形式是伽利略变换。
    物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。在经典力学中，我们知道力学的基本运动定律对所有惯性参考系成立，并且根据伽利略力学相对性原理，力学的基本运动定律在所有惯性参考系中可以表示为相同形式。关于电磁现象，人们从长期实践中总结出电磁场的基本规律，在此基础上必然提出参考系问题，即所总结出来的电磁现象的基本规律究竟适用于什么参考系？由于宏观电磁现象的普遍规律可以表为麦克斯韦方程组，那么麦克斯韦方程组究竟在哪些参考系中成立呢？
    根据麦克斯韦方程组，真空中电磁波的传播速度是一个常量，即。按照经典力学的概念，如果电磁波在某一惯性系中的传播速度沿各个方向都为，则在另一个与它有相对运动的惯性系中，该电磁波的传播速度就不可能沿各个方向都为。如果确实如此，则麦克斯韦方程组只对一个特定的惯性系成立，伽利略力学相对性原理在电磁现象中就不再成立。显然，这个特定的惯性系比其他惯性系都优越，所以称它为绝对惯性系。接着而来的问题是，这一绝对惯性系在何处？
    寻找这个特殊的惯性系和确定地球相对于这个惯性系的运动成为19世纪末物理学的一个重要课题。起初有人为了解释实验事实，引入了一种假想物质“以太”，并赋予它许多特殊的性质。例如：以太不具有质量；不仅在真空中存在，而且无处不在，存满整个世界，并且可以渗透到一切物质的内部，用来传播电磁波；同时对宏观物体的运动又没有任何拖曳。由于当时以太理论在人们的头脑中根深蒂固，所以大多数物理学家认为以太就是那个特殊的绝对惯性系。

各国许多科学家为了寻找以太，做了许多观测和实验，但早先因为受到技术水平的限制，实验精度不高，直到19世纪中期以后才能做出比较精确的实验。但是，这些观测和实验的整体结果否定了以太的存在，亦即否定了绝对惯性系的存在。

2. 迈克耳孙－莫雷实验
   按照经典力学的概念，光沿任意方向的速度只有在某个特定的惯性参考系（以太系）中才等于，按照伽利略速度变换法则，在相对于以太以速度运动的参考系中光沿各个方向的速度不相同，这样在地球上如果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确定地球相对于以太的运动。
    根据理论推算，当实验的精度达到的数量级时，应当能观测到仪器相对于以太的运动（这里是固定在地球上的仪器相对于以太的速度），19世纪末的科学技术发展水平已使得这种精密测定成为可能。
    迈克耳孙（A.A. Michelson）发明了一种空前灵敏的仪器——迈克耳孙干涉仪，它达到了量级的灵敏度，1881年首次用它做了观测实验，得出了否定的结果（即观察不到地球相对于以太的运动）。以后，迈克耳孙与莫雷（E.W. Morley）合作改进了仪器，提高了灵敏度，在1887年进行了更精密的测量，仍然得
出了否定的结果。这就是著名的迈克耳孙-莫雷实验。
    迈克耳孙-莫雷实验装置如图4-1所示，由光源发出的单色光在半镀银镜上分为两束，一束透过，被反射回到，再被反射而到达目镜； 另一束被反射至，再反射回而直达目镜。 这两束光在相遇时发生干涉。干涉仪两臂的长度分别为和，它们互相垂直。仪器安装在一块大石板上，石板浮在水银面上，以便转动。
    按照经典力学的概念，设地球相对于以太以速度沿的方向运动，则在地球上观测，光束1从到再回到所需的时间为

图 4-1
（4-1)
    对以太来说，光束2从到再回到的路径如图4-2所示，所需时间为，则由图4-2可见
              
    即：  
（4-2)

图 4-2
    是在以太系中计算的，由于时间在经典力学中是绝对的，所以也可以认为此是在地球上观测的。
两束光的光程差为
            
    把仪器转 ，则臂垂直于，而臂平行于，相应的时间以加撇表示，按照上面的分析，这时两束光的光程差为
              
    这一旋转导致光程差的改变为
（4-3)

因此，应该观察到干涉条纹移动的数目为

（4-4)
    在迈克耳孙-莫雷实验中，，，地球绕太阳运动的速度大小约为，假定以太相对于太阳静止，则这个速度便是地球相对于以太的速度，把这些数值代入式（4-4），算出条纹移动的数目应为个，他们所用的仪器灵敏度很高，条纹移动个就可以被观察到。但是，在他们仪器的灵敏度范围内，他们实际上没有观察到条纹的移动，即得到了否定的结果。这就是说，不存在地球相对于以太的运动。
    这个零结果（条纹移动为零）对以太假说的检验是如此重要，以致这以后近百年来，不断有人重复做这个实验，尽管观察方法不断改进，仪器灵敏度不断提高，但都是观察不到条纹的移动。
    迈克耳孙-莫雷实验的否定结果（称为零结果）意味着什么呢？