相对论可信吗？有什么实验依据吗？

——一个可以从源头推翻爱因斯坦相对论的有力证据。

陆明华

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网站:www.wuwuming.fosss.org

(2006-03-23首次出现在人民网科教论坛)

迈克尔逊-莫雷实验为推翻以太假说做出了不可磨灭的贡献。但由于以太假设不能成立，迈克尔逊-莫雷实验中条纹运动δ n的计算始终依赖于以太假设，因此其计算方法也不可靠，“光速不变，与地球运动状态无关”的结论显然不严谨，经不起推敲。但“光速不变，与地球运动状态无关”的错误结论一直沿用至今，始终是支持爱因斯坦相对论的有力证据。

100年前，爱因斯坦把迈克尔逊-莫雷实验作为建立相对论的可靠支柱。今天，这篇论文把它作为推翻爱因斯坦相对论的有力证据。

1.迈克尔逊-莫雷实验介绍

本文对迈克尔逊-莫雷实验的介绍来源于科学出版社出版的大学物理教材《简明大学物理》1998。特此声明。

在电磁理论发展的早期，人们认为光在所谓的“以太”介质中传播，以太被视为绝对参考系的代表。为了确定绝对参考系(或以太参考系)的存在，历史上很多物理学家都做过很多实验，其中最著名的是迈克尔逊在1881年和1887年探测地球在以太中速度的实验。

1.1.迈克尔逊-莫雷实验的设计思想

如果有一个惯性系S’，相对于绝对空间(或以太)以速度V向光速传播的方向运动，那么从惯性系S’观察到的光速V’(光)就是C-V，因此，如果从地面上的一点测量不同方向(如相互垂直的方向)传播的光速(地球视为近似惯性系)，地球的运动就会有不同的光速值，因此可以判断。这是迈克尔逊-莫雷实验[]的设计思路。

1.2迈克尔逊干涉仪

根据楔形膜干涉实验，楔形膜干涉条纹的位置取决于光程差，只要光程差稍有变化，干涉条纹就会明显移动。利用这一原理制成迈克尔逊干涉仪(迈克尔逊1852 ~ 1931)，其结构如图01所示(略)。M1和M2是两个精密抛光的平面镜，其中M1是固定的，其。M2由螺丝控制，可以轻微移动。G1和G2是两块平行的玻璃片，材质相同，厚度均匀，相等。在G1的一面镀上一层半透明的薄银膜，使照射在G1上的光分成振幅几乎相等的透射光和反射光，故称之为分束器，G1和G2与M1和M2的倾角为45°。

光源S产生的光打到G1后分成两束。光线①经过G1和G2到达M1，再经过G2，被G1上的银膜反射到视场。光②从G1的镀膜面反射到M2，经M2反射后，穿过G1到达视场。显然，光线①和②是两条相干光线，它们在视场中相遇时会发生干涉。

由于分束器G1的存在，M1相对于涂层表面形成虚像。m 1’位于M2附近，光①可以认为是从m 1’反射过来的。m 1’与M2之间形成空气膜，光②三次通过G1，经过G2后，光①也三次通过与G1相同厚度的玻璃片(G2起光路补偿作用)， 以至于M1 '和M2之间的空气膜厚度是光线①和②的光程差(作者注:这可能是《简明大学物理》中M1 '和M2之间的空气膜厚度是光线①和②光程差的一半)。 如果M1和M2不是严格垂直的，那么m 1’和M2不是严格平行的，那么在m 1’和M2之间形成一个空气楔形膜，光线①和②形成等厚干涉。此时观察到的干涉条纹为明暗条纹。如果入射单色光的波长为λ，当M2向前或向后移动λ/2时，光线①和②的光程差δ为2 (λ/2) = λ，我们可以看到干涉条纹发生了移动。因此，M2移动的距离δx[]可以通过计算视场内移动的条纹数δN来计算。

δx =δnλ/2

当M2也固定时，如果在某一状态下，光线①和②产生的光程差的变化值δ δ可以为λ，我们可以看到干涉条纹发生了移动。然后通过计算视场内移动的条纹数δN，就可以计算出光线①和②引起的光程差的变化δδ。

δδ=δnλ

同样，如果能测出光线①和②产生的光程差的变化值δ，就可以计算出干涉条纹的个数δ n。

δN =δδ/λ

1.3.迈克尔逊-莫雷实验的推理过程

如图02(略)所示，迈克尔逊干涉仪的整个装置可以绕垂直于图纸的轴转动，并保持光路PM1=PM2=L固定。让地球相对于绝对参考系以速度V从左向右运动。当器件处于图示位置时，PM1平行于V，光束①在P和M1之间往返的路线也平行于V， 而光速②在P和M2之间往返的路径是垂直于v的，可以证明，光束①在P和M1之间往返所需的时间t1略长于光速②在P和M2之间往返所需的时间t2，即t1 > t2。 如果整个装置绕垂直于图面的轴旋转90度，光束①和②的路径正好交换，因此光束①的时间t1略短于光速②的时间t2。因此，在旋转过程中，可以从望远镜T上观察到干涉条纹的移动，条纹移动的次数可以计算如下:

δN = 2l v2/λC2

但出乎意料的是，尽管反复实验，也没有观察到条纹移动。这个实验，经过很多人的反复改进，始终没有观测到地球相对于以太(或绝对参考系)[]运动的效果。

1.4.迈克尔逊-莫雷实验中条纹位移δ n的计算

由前述，根据伽利略的速度变换，我们可以得到

t1 = L/(c-v) +L/(c+v)

= 2Lc/(c2-v2)

= 2L/[c(1-v2/c2)]

光束②在p→m2′→p”之间行进的距离，实际上是图03所示的等腰三角形的两个腰之和(略)。所以有

ct2 /2 = [L2+(vt2/2)2]1/2

经过计算，可以得出

t2 = 2L/(c2-v2)1/2

= 2L/[c(1-v2/C2)1/2]

两束光的时间差是

δt = t 1-T2

= 2L/[c(1-v2/C2)]-2L/[c(1-v2/C2)1/2]

=(2L/c){(1+v2/C2+…)-[1+v2/(2 C2)+…]}

≈(信用证)(v2/c2)

因此，两个光束之间的光程差为

δ= cδt

≈ Lv2/c2

如果将整个器件旋转90°，前后光程差为2δ，在此过程中干涉条纹移动δ n。从上面的公式中，有

δN = 2δ/λ

≈ 2Lv2/(λc2)

然而，无论进行多少次实验，都无法观察到条纹的移动。因此，当时的研究者得出了如下结论:迈克尔逊-莫雷实验结果表明，没有绝对参照系，以太假说不能成立；光速是恒定的，与地球的运动无关。人们一致认为迈克尔逊-莫雷实验是狭义相对论的实验基础，学术界众说纷纭。但是实验及其结果有助于我们接受相对论[]。

以上是简明大学物理中迈克尔逊-莫雷实验的介绍，以下是简明大学物理中迈克尔逊-莫雷实验的分析。

2.为什么迈克尔逊-莫雷实验总是观测不到地球运动效应？

迈克尔逊-莫雷实验的结果否定了光的传播依赖于以太这一特殊介质的假设，也否定了绝对参照系的存在，这是世人公认的对物理学最显著的贡献。但对于理论物理有更重要的意义，却不为人所知，长期被忽视。即由于迈克尔逊-莫雷实验中条纹位移δ n的计算过程依赖于以太假设，因此计算方法本身也是不可靠的。如果当时人们能够进一步探索和研究迈克尔逊-莫雷实验中条纹运动δN的计算方法，就不会轻率地得出“光速不变，与地球运动状态无关”的错误结论。因此可以有效遏制像爱因斯坦相对论这种非常隐秘的伪科学理论的产生和发展。

2.1.迈克尔逊-莫雷实验中条纹位移δ n的计算没有摆脱以太假设的阴影。

起初，迈克尔逊-莫雷实验中条纹位移δ n的计算依赖于以太假设。光在以太中传播，就像声音在空气中传播一样。与以太相比，光速(光速)c是不变的。根据这一假设，计算结果与实验结果完全不一致。这不仅说明以太假说是错误的，也说明基于以太假说的迈克尔逊-莫雷实验中条纹位移δ n的计算是不成立的。

在迈克尔逊-莫雷实验中计算条纹位移δN的过程中，总有这样一个参考系，在这个参考系中，无论光束传播过程中发生什么情况，光速总是恒定在C。在图04(略)所示的参考系中，光束①在P和M1之间往返所需时间t1由两部分组成，光路P→M1 '所需时间为t1 '，光路M1'→P "所需时间为t65438。很明显，

t1=t1'+t1 "

因为在迈克尔逊-莫雷实验中条纹移动量δN的计算中，光束①在P和M1之间往返需要时间。

t1=L/(c-v)+L/(c+v)

因此

t1'=L/(c-v)

t1"=L/(c+v)

古德

ct1'=L+v t1 '

CT 1 " =左-v t1 "

光路P→m 1’所需时间为t1’，而光路m 1’→P”所需时间为t 1”。在图04所示的参考系中，光束①在P→M1’的光路中，经以速度V运动的平面镜m 1反射后，光速仍为C，即在m 1’→P”的光路中。类似地，如图05(略)所示，光束②在P和M2之间往返所需的时间t2由两部分组成，光路P→M2所需的时间T2′和光路m2′→P″所需的时间T2″。很明显，

T2’= T2”= T2/2

在计算迈克尔逊-莫雷实验中的条纹位移δ n时，光束②在P和M2之间来回传播所需的时间。

t2 = 2L/(c2-v2)1/2

古德

(ct2/2)2=L2+(v t2/2)2

由此，你可以得到

c t2'=[L2+(v t2')2]1/2

c t2"=[L2+(v t2")2]1/2

在图05所示的参考系中，入射的一部分光速为C的光束被分束器G1反射，从上面的分析可以看出，光束②的光速在P→m 1’的光路中为C，在M2’→P”的光路中为C。

综上所述，在迈克尔逊-莫雷实验中条纹位移δN的计算中，总有这样一个参考系，在这个参考系中，无论发生什么情况，光束的速度总是恒定在C。也就是说，在迈克尔逊-莫雷实验中计算条纹位移δ n的过程中，总是依赖于以太假设。然而，这种理论计算的结果与实际结果完全不符。说明以太假说确实站不住脚。同时也说明迈克尔逊-莫雷实验中条纹移动δ n的计算方法也是不可靠的。我们必须摆脱对以太假设的依赖，重新计算迈克尔逊-莫雷实验中的条纹移动δ n。

2.2.重新分析迈克尔逊-莫雷实验的结果。

文中所谓的重新计算，只是为了在计算过程中摆脱以太假设的影响，分析完全符合伽利略相对性原理的实验过程，找到一种不同于以往的、完全摆脱以太假设的全新计算方法。

迈克尔逊-莫雷实验研究的对象其实有两个，一个是光束，一个是迈克尔逊干涉仪本身。研究内容是它们之间的相互作用。根据伽利略的相对性原理，当我们研究相互作用的物体时，所选择的参考系不同，研究的结果也不会不同。也就是说，无论我们选择什么参照系来研究这个问题，结果都是一样的。自从以太假说被否定后，就没有对光的传播有特殊意义的参照系了。我们可以选择任何参考坐标系来研究这个问题。因此，本文选择了两个坐标系，相对于光源静止的参考坐标系S和相对于干涉仪静止的参考坐标系S’来研究这个问题。这两个参考系的结果是什么？是一样的吗？

2.2.1.在相对于干涉仪静止的参考坐标系S '中进行分析。

如图06(略)，S是相对于光源的静止参考坐标系，所以光源相对于S坐标系是静止的，光源发出的光的速度相对于坐标系S是c；S’是相对于干涉仪静止的参考坐标系，在S坐标系中沿X轴正方向匀速直线运动。根据伽利略速度变换，可以得到S坐标系，光源和相对于S’坐标系的光速。

V'(S)= V '(光源)=-V。

v '(光)= c-v

干涉仪在S '坐标系中静止，入射光束的速度为C-V，光束在P处通过P后，形成光束①，速度仍为C-V..由于入射光束速度相对于反射镜M1是C-V，所以反射光束速度也是C-V..同样，当光束在P处被P反射到视场时，光束的速度也是C-V，设光束①在P和M1之间往返所需时间为t1，光束①从P到M1所需时间为t 1’；光束①从M1传播到P所需的时间为t1”。明显地

(c-v) t1' = L1

(c-v) t1"= L1

t1' = L1/(c-v)

t1"= L1/(c-v)

因此，光束①在P和M1之间往返所需的时间为

t1=t1'+t1 "

= L1/(c-v) +L1/(c-v)

= 2L1/(c-v)

如图07(略)所示，光束②在P处被P反射，入射光束相对于P的速度为C-V，那么光束②被P反射的速度也为C-V..同样，光束②被M2反射后，其速度仍然是C-V。当它回到P时，经过P，进入视场，与光束①相遇。它的速率仍然是c-v .设t2为光束②在P和M1之间往返所需的时间，T2’为光束②从P到M2所需的时间；光束②从M2传播到p所需的时间是t2”。明显地

(c-v)T2’= L2

t2"= L2

T2’= L2/(c-v)

T2”= L2/(c-v)

因此，光束②在P和M2之间来回传播所需的时间为

t2=t2'+t2 "

= L2/(丙伏)+L2 /(丙伏)

= 2L2 /(c-v)

因此，两个光束之间的时间差为

δt = t 1-T2

= 2L1/(c-v) -2L2 /(c-v)

= 2(L1-L2)/(c-v)

= 2δx/(c-v)

因此，两个光束之间的光程差为

δ = v '(光)δ t

=(c-v)δt

= 2δx(c-v)/(c-v)

= 2δx

可以看出，两束光的光程差与光速和干涉仪的移动速度无关，只与干涉仪内部PM1与PM2的距离差δx有关。也就是说，只要干涉仪相对于光源不做快速加速或快速旋转，无论整个装置旋转90°还是180°，只要干涉仪中PM1与PM2的距离差δ x保持不变，两束光的光程差就不会发生变化，自然观察不到干涉条纹的移动。这一分析与实验结果明显一致。

那么，上述分析结果是否对相对于干涉仪静止的参考坐标系S '有特殊的依赖性呢？接下来，本文继续在相对于光源静止的参考坐标系S中分析这个问题。

2.2.2.在相对于光源静止的参考坐标系S中进行分析。

如图08(略)，S是相对于光源的静止参考坐标系，所以光源相对于S坐标系是静止的，光源发出的光的速度相对于坐标系S是c；干涉仪在S坐标系中以速度V沿X轴的正方向匀速直线移动。干涉仪与s坐标系中的光速

干涉仪= v

v(光)=c

在坐标系S中，运动干涉仪的光束速度为c，光束在p处通过分光镜G1形成光束①，速度仍为c..因为干涉仪与速度为V的光束同方向移动，所以当干涉仪从PM1移动到P'M1 '时，入射光束相对于反射镜M1 '的速度为C-V，所以反射光束相对于反射镜M1 '的速度为C-V。因此，相对于坐标系S，反射镜m 1’反射的光束速度为(C-V)-V，当光束①回到P”时，反射到视场中。由于光束①相对于运动的P”的速度在回到P”时是C-V，所以反射到视场中的光束相对于运动的P”的速度也是C-V，反射到视场中的光束相对于坐标系S的速度应为[(C-V) 2+V2] 1/2。如图08所示(略)，设光束①在P，m 1’和P”之间传播所需时间为t1，光束①从P传播到m 1’所需时间为t 1’；光束①从m 1’到P”所需时间为t1”。因此

ct1'= L1+v t1 '

[(c-v)-v]t 1 " = l 1-v t 1 "

视为

t1' = L1/(c-v)

t1"= L1/(c-v)

因此，光束①在P，m 1’和P”之间传播所需的时间为

t1=t1'+t1 "

= L1/(c-v) +L1/(c-v)

= 2L1/(c-v)

如图09(略)所示，光束②被在P处进入干涉仪的光束反射，由于入射光束②相对于运动的P的速度为C-V，所以被P反射的光束②的速度也为C-V，方向垂直于相对于运动的P的入射光速，因此，被P反射的光束②的速度相对于坐标系s应为[(C-V)]，经过M2反射后，光束②的速度为[(C-V)2+V2]655回到P”时，经过P”后进入视场，与光束①相遇。它的速度还是[(C-V) 2+V2] 1/2，在运动中相对于P应该还是(C-V)。如图09(略)，设光束②在P、M2’和P”之间传播所需的时间为t2，光束②从P传播到M2’所需的时间为T2’；光束②从M2′传播到p″所需的时间是T2″。从图09中可以看出

(PM2') 2 = (P'M2') 2+(PP') 2

(M2'P") 2 = (M2'P") 2+(P'P") 2

因此

{[(c-v)2+v2]1/2 T2 ' } 2 =(L2)2+(v T2 ')2

{[(c-v)2+v2]1/2 T2 " } 2 =(L2)2+(v T2 ")2

计算的可用

T2’= L2/(c-v)

T2”= L2/(c-v)

因此，光束②在p，M2’和p”之间传播所需的时间为

t2=t2'+t2 "

= L2/(丙伏)+L2 /(丙伏)

= 2L2 /(c-v)

因此，两个光束之间的时间差为

δt = t 1-T2

= 2L1/(c-v) -2L2 /(c-v)

= 2(L1-L2)/(c-v)

= 2δx/(c-v)

光束①和②进入干涉仪视场后相对于坐标系S的速度都是[(c-v) 2+v2] 1/2。然而，因为只有当观察者和干涉仪保持相对静止时才能观察到干涉仪，所以进入干涉仪视场的光束的速度只能相对于干涉仪进行选择，以符合事实。光束①和②进入干涉仪视场后相对于干涉仪的速度都为C-V，因此两光束的光程差为

δ=(c-v)δt

= 2δx(c-v)/(c-v)

= 2δx

可以看出，在相对于光源静止的参考坐标系S中的分析，虽然相对光速不同，但也得出相对于干涉仪静止的参考坐标系S’中的分析结论。

3.结论

从以上对迈克尔逊-莫雷实验结果的重新分析，我们可以得出以下结论:迈克尔逊-莫雷实验的条纹移动δN取决于两束光的光程差的变化，而光程差的变化取决于两束光的光程差，两束光的光程差与相对于任意惯性参考坐标系S的光速VS(光)无关，还与移动速度VS(干涉仪)有关。也就是说，在迈克尔逊-莫雷实验过程中，只要干涉仪不相对于光源做快速加速和快速旋转，无论整个装置旋转90°还是180°，只要干涉仪中PM1与PM2的距离差δ x不变，两束光产生的光程差就不会改变，自然观察不到干涉条纹移动。这就是迈克尔逊-莫雷实验从未观测到地球运动影响的真正原因。

在上面对迈克尔逊-莫雷实验结果的分析中，本文唯一遵循的就是伽利略的相对性原理。也就是说，上述分析只有一个前提，即假设光的传播必须遵循伽利略相对性原理，在这个前提下分析得到的结果与实验结果完全一致。100多年前做的分析，是因为没有完全遵守伽利略的相对论原理，无法摆脱以太假说的影响。因此，分析结果与实验结果不一致。这个实验再次证明了伽利略相对性原理揭示的规律具有普遍适用性。原来认为光的传播规律特殊，不符合伽利略相对性原理的观点是站不住脚的。这个实验充分证明了光的传播也完全遵循伽利略的相对性原理。

爱因斯坦根据迈克尔逊-莫雷实验的结果，草率地得出光速对所有惯性观察者都是一样的结论，并把在这个意义上成立的光速不变作为一个基本原理，由此推导出洛伦兹变换来代替伽利略变换，并在此基础上建立了狭义相对论和广义相对论。可见，爱因斯坦的相对论不仅有科学理论支撑，也有科学实践支撑。可以说爱因斯坦的相对论是历史上最隐蔽的伪科学理论。同时也是一个伪科学的理论体系，目前仍在发展中，也是最系统的。

100年前，爱因斯坦把迈克尔逊-莫雷实验作为建立相对论的可靠支柱。今天，这篇论文把它作为推翻爱因斯坦相对论的有力证据。

后记:

迈克尔逊-莫雷实验在探索未知世界的过程中给了人们什么启示？它让人反思科学本身。技术重在知识和方法，科学重在精神和态度。科学的本质可以概括为实事求是的精神和脚踏实地的认真态度。如果离开了实事求是和脚踏实地这两点，那么科学技术就只能剩下技术两个字了。