1.5　小实验戳破人们的想象

自从发现水波的传播需要水、声波的传播需要空气，物理学家们就想当然地以为太阳光的传播也需要某种介质，这种介质被称为“以太”。

以太并非新名词，早在古希腊时期，亚里士多德就提出，世间万物皆由水、火、土、气四种元素组成，而天则由第五元素“以太”组成。后来，随着“四元素说”被推翻，以太逐渐被人们遗忘。以太首先是哲学概念，而物理学家总是期望将它变成物理学概念。17世纪的笛卡尔是一个对科学思想的发展具有重大影响的哲学家，他最先将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。在他看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，因此空间不可能是一无所有、空空如也的，它是被以太这种媒介物质所充满的。也就是说，虽然以太不能被我们的感官所感觉，但它却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力。之后根据牛顿的发现，以太充满整个宇宙，无所不在、无色无味、绝对静止，宇宙中的天体相对以太在做运动。这一度成为物理学界的共识。可惜，始终没人能用实验证明以太的存在。美国物理学家迈克耳孙曾是以太学说的忠实信徒，但是，一场科学报告让他对此产生了怀疑。

迈克耳孙

1884年，治学严谨、不轻易外出讲学的大科学家汤姆孙终于到美国来作报告了。报告那天，科学界人士济济一堂，大家纷纷挤到汤姆孙面前七嘴八舌、问这问那，自然也提到了那个玄妙的以太问题。汤姆孙搓着手说：“以太到底是啥东西，现在还不清楚。我们只知道地球是以约30千米每秒的速度绕太阳转，那么迎面就应该有一股‘以太风’不断吹来。如果谁能检测到这股‘以太风’的存在，也就证明了以太的存在。”

听到这番话，迈克耳孙心中一动，回来就开始琢磨起“以太风”来。他想到，地球就好比一叶扁舟以大约30千米每秒的速度在以太海洋里航行，如果把一束光分成两束，分别向顺着以太风的方向和垂直于以太风的方向发射，这就好像有两个在河里游泳的人，一个横渡河流，一个顺流而下，这样一来，他们的速度肯定会有所不同。同样的道理，这样两束光的速度也肯定会有所差别，进入目镜后就能形成干涉条纹。如果将仪器旋转90°，因为两束光所处的位置恰好对调，会形成另一种干涉条纹。

于是，迈克耳孙和莫雷一起设计了一个迈克耳孙干涉仪，它可以把一束光分成两束，再将两束光射向两个不同的方向，最终再返回目镜。通过目镜观察光线的干涉现象就可以确定光速的差别了。

他们在一年四季的所有日子，以及一天的白昼和夜晚进行观测，还把仪器搬到高山上、山洞里、山谷里，甚至让它随着氢气球升到高空中去检测，但还是观测不到预期的条纹变化，连千分之一的移动也没有。这真是“上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见”啊！结果只有两个：要么是地球根本就不会动，要么是以太这东西压根儿不存在。

地球不会动让人无法理解，因为在整个太阳系里，天体之间都是相对运动的，而且天体本身也都有自转现象，所以地球绝对不会是宇宙间唯一一个相对以太静止不动的天体。况且，天体运动经哥白尼提出到牛顿最后证明，已经成为科学界的共识，是绝对不会错的。因此，以太说有错误倒更合理，即，宇宙间压根儿就不存在什么以太。

迈克耳孙本来是要以精确的实验来为以太的存在提供证据，不想适得其反，却从根本上否定了以太。一个小小的实验居然戳破了人们想象中的理论，这是他始料未及的。

迈克耳孙的实验结果一宣布，立即在物理学界引起了一场轩然大波，因为以太一旦被否定，就意味着已经伴随人们200多年、指导物理学家做出无数发现的牛顿力学失灵了，经典物理学金碧辉煌的大厦居然出现了裂缝，这是很多人所无法接受的。于是，荷兰的洛伦兹、法国的彭加勒等物理学权威，先后提出了拯救以太说的种种修正方案，总希望迈克耳孙的实验能有另一种解释，然而，这一切最后都被证明是徒劳的。