廖伟迅

（韶关学院旅游与地理学院,广东韶关512005）

试析迈克尔逊-莫雷实验和光速不变原理

廖伟迅

（韶关学院旅游与地理学院,广东韶关512005）

摘要：提出利用证伪方法去甄别光行差与迈克逊-莫雷实验——历史上这两个矛盾命题的真伪；指出麦克斯韦设置的迈克逊-莫雷实验所假设光波与地球都相对“以太”介质运动的错误前提,是导致该实验失败主要原因；而斐兹杰拉——洛伦兹提出运动的地球参照系可带动“以太”的假设从而推导出来的洛伦兹变换仅仅是一个将错就错为了圆说一个伪命题的徒劳之举；还指出爱恩斯坦在没有定义光速之前就提出推理所不及的“光速不变原理”是有悖常理的,而目的就是为了重新包装“以太”观点的斐兹杰拉——洛伦兹变换从而引出相对论的理论,但爱恩斯坦始终无法改变洛伦兹变换的“以太”观点的逻辑推理过程；分析证明光速不变原理本身就是一个矛盾命题,最后尝试定义光速.

关键词：光行差；迈克尔逊—莫雷实验；相对论；光速不变原理

光行差是指在同一瞬间,运动中的观测者所观测到的天体视方向与相对该天体静止的观测者所观测到天体的真方向之差.

1725年布拉德雷（Brad1ey.James,1693-1762年）在试图测量天龙座γ星的周年视差时,测得该星与预期方向相反位置的偏移,他认为这是光速和地球轨道运动矢量合成的效应.后来他用计算证明了这一结论,由此发现了光行差现象.

布拉德雷在（V⊕/C）的精度上证明地球绕日公转时其相对星光（C）的运动（V⊕）是可测的（当V⊕⊥C时星光真方向与视方向产生的光行差角约为10-4弧度即约为20″；地球公转运动产生的周年光行差请参见图1）.

布拉德雷对光行差的进一步测量研究又发现了地轴的章动现象,并得到了世界的公认.

麦克斯韦（James C1erk Maxwe11,1831-1879）利用光的干涉原理设置了一个比“光行差”观测精度高10 000倍的、1887年由迈克尔逊——莫雷完成的试图测量地球公转运动实验,此后人们反复多次的实验结果却表明在（V⊕/C）2的精度上,地球公转时相对光线（C）的运动（V⊕）的光行差角是不可测的.?

图1　布拉德雷发现的光行差

1　科学史上两个相互抵牾实验证伪的提出

对于同一自然现象,一个能够在低精度的实验中检测到的结果,却在另一个更高精度的实验中无法检测.显然这两个观测结果是相互矛盾的［1］,两者当中必有一个是伪命题.

如果麦克斯韦设计的高精度实验的科学依据是正确的,那么低精度的布拉德雷光行差测量结果是不可信的；反之,如果可以证明布拉德雷光行差测量结果是科学正确的,也就反证了麦克斯韦设计的高精度实验的理论依据有科学错误.

这种证伪之所以必要,不仅是关涉光行差的问题,更是关乎到近代物理的基础实验问题.

迈克尔逊-莫雷实验是爱恩斯坦的“光速不变原理”的引出依据；而利用“以太”观点解析“零”结果实验的斐兹杰拉-洛伦兹变换却又是相对论的理论基础.

所以,很有必要重新审慎地研判科学史上这两个实验的互相抵牾结论的真伪,以辨明正误.关于光行差现象,几乎所有的天文教科书都没提及这一观测结果的测定原理,为此笔者曾对光行差的测定作了专门研究［2］.

2　光行差测定的历史事件的研判

2.1天文照相法不能测定光行差

关于光行差测定的原理,笔者曾问及很多天文专家,几乎都认为光行差可以通过天文照相的方法测定.这大概是人们认为恒星的周年视差不到一个角秒,都可以用天文照相的方法测出（见图2）,而光行差最大值可达20.5″,必定可用同样方法测定.

但这种认知有两个基本的常识错误∶其一,照相术是在1725年布拉德雷测定光行差之后的一百多年后才出现的.其二,纵使布拉德雷当年掌握了现代照相术,光行差还是不可能通过天文照相的方法来测定的.因为周年光行差的大小只是与星光方向和地球公转速度方向的夹角有关 （当两者相互垂直时有最大值20.495 52″；该参数的标准历元为2000年）,也就是说同一方向恒星光行差的大小完全一致,由此产生的恒星视位移全部相同与恒星的远近没有关系,不存在类似周年视差那样有一个遥远而相对静止的星空参考背景.这是光行差与周年视差检测方法最主要的区别之一.所以不可能像测量周年视差那样（参见图2）,通过两幅时隔半年同一天区的高分辨率照片,去对比近距离的恒星相对较遥远（100 PC以上）背景恒星的视位移,去想当然将光行差测量出来.

可见,光行差是根本无法效仿恒星周年视差这种天文照相方法测定的.

图2　恒星周年视差的照相测定

2.2布拉德雷关于光行差测定的自述

布拉德雷在写给哈雷信件（1728年曾发表于Phi1osoPhica1Transactions）中有关于光行差发现过程的叙述.梳理其中关键要点结合图3所示,大致可以表达为［3］∶①布拉德雷在企图测定恒星周年视差位移时,发现天龙座γ星（实际为天龙座α星,是其助手拜伊尔标记错了）在上中天时其天顶距（Zγ）有时偏南有时偏北；②通过测定该星上中天时的天顶距（Zγ）,可以推算出该星的赤纬（δγ）,布拉德雷一年内对该星的赤纬作70次以上的观测发现δγ值有系统性的周年变化,变幅40″左右（即相对δγ的平均值,偏南或偏北±20″左右的变化）；③布拉德雷发现δγ南北偏差的最大值大致出现在太阳位于春分点和秋分点的季节（即三月份该星上中天时,地球的运动方向大致指向当地南点S时,其赤纬坐标偏南的角度最大,约为-20″；当九月份该星上中天时,地球的运动方向大致指向当地北点N时,其赤纬坐标偏北的角度最大,约为＋20″）；④同时布拉德雷还利用与天龙座γ星的赤纬大致相同而赤经相差180°一颗对称暗星作对比观测,排除了天龙座γ星这种周期性视位移是章动所致；同时观测表明天龙座γ星的赤纬变化比这颗对称暗星赤纬变化约大2倍,经计算他发现它们赤纬变化的最大值与其黄纬的正弦相关.⑤布拉德雷还发现天龙座γ星赤纬坐标的偏移方向恰恰与预期的周年视差的偏移方向相反,断定这不是恒星周年视差位移……

图3　光行差的测定原理

2.3问题的分析

在研读分析上述问题时必须注意∶太阳在天球上周年视运动的向点,恰好与地球在轨道上周年真运动向点的方向相反.比如三月份春分时太阳视运动的向点是北半天球的夏至点,此时地球公转真运动的向点则是南半天球的冬至点（冬至点赤经α＝18 h）,而天龙座γ星的赤经与之非常接近（αγ＝17 h 56m 36.4 s现今值）,当天龙座γ星上中天时冬至点（地球运动的向点）也很接近天子午线,此时冬至点（向点）仅仅比伦敦的南点S高了大约15°纬距（见图3）.

布拉德雷选择了赤纬值（δγ＝51°29＇）与格林威治天文台纬度（φ＝51°28＇38″）大致相等的天龙座γ星,这样其上中天时正好在天顶（Z）附近,星光垂直进入大气层,故无需作蒙气差修正以保证测量的精确度（蒙气差约为0.006″）.

但这种方法只能测定地球短周期运动产生的光行差,比如∶地球自转的周日光行差0.3″（赤道处）、地球公转的周年光行差20.5″；而长周期运动的光行差,比如∶地球跟随太阳本动的光行差13″、地球跟随太阳绕银河系自转的光行差170″以及利用微波背景辐射测出的指向狮子座369 km/s地球绝对运动［4-6］的光行差达253.9″,都不能用此法测定,而只能从理论导出.

2.4 布拉德雷的观测结论是真命题

综上所述∶根据当时望远镜的观测精度,结合布拉德雷信件叙述的要点和笔者复原图示的原理以及太阳位置与地球运动空间方向关系的研判——无疑低精度测量地球相对星光周年运动的光行差现象,是一个可信的历史事实,是真命题,其测量方法是科学正确的.这就预示了麦克斯韦设计的高精度实验的理论依据有科学错误.

3　迈克逊-莫雷实验失败的原因及其历史解释的研判

3.1麦克斯韦设计实验的依据

麦克斯韦是最早预言电磁波的存在并提出电磁波理论的物理学家.他认为光波也是一种电磁波,并说∶“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动.”他将电、磁、光理论进行了整合,并从理论上推导出光速常数C.只是在那个年代人们对电磁波的理解还是摆脱不了机械波的影响,认为电磁波包括光波都必须借助一种叫“以太”介质方可以传播,且“以太”是绝对静止并万物渗透的,空间里的所有天体、物体都相对其运动.在这样的历史背景下,麦克斯韦在设置这个实验时对光的传播作了一个约定∶光在“以太”介质的传播速度为一常数C,C值与光源的运动无关.然后他设计了两个相互垂直的光路,利用光波的干涉原理去检测顺地球运动方向与垂直地球运动方向两路光波的光程差Δ（他预期垂直光路上有光行差角,导致两路光的行程有差异,按照实验的设计可在光的波长量级检测到这种光程差异）从而证实地球相对“以太”的运动（参见图4）.根据实验单色光的波长λ、两光路的分别臂长L以及地球公转运动时相对“以太”的速度V⊕可以预期应该观测到干涉条纹的变化（精度为

图4　迈克逊-莫雷实验

1887年首先由美国人迈克尔逊-莫雷完成这个试图测量检验地球公转运动实验,但是观测不到麦克斯韦预期的结果.此后科学家多次重复这个实验,直到1964年观测的地球轨道速度的上限值没有超过实际值（V⊕）的千分之一［1］.

图5　在大气介质内测光行差

图6　恒星光行差的大气折射偏角

3.2实验失败的原因

麦克斯韦假设“以太”存在的理论前提是错误的,在地球大气介质内部做这个实验时实际上能检测出来的只是大气介质光速C＇,而实验室的大气介质是相对地球参照系是静止的,因此C＇就是地球参照系的相对速度.要想从这个实验中分离出麦克斯韦预期所谓的“以太”光速C以及地球相对“以太”的轨道速度V⊕是根本不可能的,更不可能观测到它们（C与V⊕）在垂直光路所产生的光行差角（约20″参见图4）.而均匀的介质光速是各向同性的,在这两个相互垂直的光路中就不会出现麦克斯韦预期的光程差.

麦克斯韦所犯的错误就类似图5的A示意的情形一样：在大气介质内部用相对地球静止的光源去测定地球参照系公转运动产生的光行差是不可能的（用角秒精度量级的经纬仪很容易证实）.因为此时光源与望远镜两者都是相对地球参照系静止的,大气介质光速C＇也是相对地球参照系的速度,根本不可能通过大气介质光速C＇测定地球参照系自身的运动状态（参见图5的B∶没有光行差角,无法根据C＇推算出V⊕）.

这正如坐在匀速直线运动的列车上,可以通过窗户观察车厢外倾斜的雨滴轨迹去感知列车的运动状态（如同图1或图6的状态）,而不能通过在车厢里面下降的水滴去感知列车的运动状态（如同图5的B状态）的道理是相同的.

至于有人质疑∶在图1中,用非地球参照系的真空恒星光速去测量光行差时,星光被望远镜观测前也会进入大气介质从而被参与公转运动的大气介质所曳带,最终成大气介质光速C＇,这与图5的B是有何区别呢？笔者认为∶正如图6所示,在绕日公转的地球参照系中,星光在进入大气前其视方向已经相对真方向发生大约20″的偏角.进入大气后因星光减速（减速就是真空光速C转变为大气介质光速C＇的标志）进而发生折射现象,但对于偏离天顶20″的恒星入射光线其蒙气差产生的折射偏角是完全可以忽略的极微小量（约为0.005″参见图6）.

图4的实验之所以失败,是因为地球参照系带动了大气介质,导致无法通过大气内部相对地球静止的光源的大气介质光速C＇去测量地球参照系自身的运动状态.

3.3零结果实验历史解释的研判

斐兹杰拉-洛伦兹,用参照系带动“以太”的观点去解释了迈克尔逊-莫雷实验.他们只是在麦克斯韦的基础上将错就错增加了一条约定∶①光在“以太”介质的传播速度为一常数C,C值与光源的运动无关（麦克斯韦的原约定）.②运动的参照系可带动“以太”,因此相对任何运动的参照系光速仍然为常数C（斐兹杰拉和洛伦兹提出的补充约定）.

于是在这两个约定的基础上,推导出斐兹杰拉-洛伦兹变换.从而得出运动的参照系会导致在运动方向上发生长度收缩的假说∶即在相对K系静止且长度为L的物体,其相对K系以速度V运动后（即在K＇系中）顺着运动方向上长度收缩为,因而抵消了麦克斯韦期望的光程差Δ（因为麦克斯韦的“以太”观点认为∶垂直地球运动方向上的单程光程恰好就是于是这两个方向的光程差Δ＝0）.洛伦兹变换的数学推导过程是没问题的,有问题的只是推导前提的两个约定是完全虚构的.

这个对迈克尔逊-莫雷实验解析的结论预示∶地球绕日公转的相对速度无法测定,绝对速度更无法测定.显然这个长度收缩的假说是在“以太”观点的两个错误假设前提下推导出来的,是否值得取信？

问题是一个能够用地球参照系的大气介质光速C＇各向同性很简约地解释清楚的零结果实验,为何非要用一个“以太”观点的长度收缩假说去解释不可？这在逻辑上是讲不通的.

历史上人们最终摈弃了“以太”学说,而爱恩斯坦利用推理所不及的“光速不变原理”重新阐释了斐兹杰拉-洛伦兹变换的前提对“以太”介质的两个约定,却没有改变整个“以太”观点的逻辑推理过程（如图4所示在大气介质内部做这个实验,同样不能分离出真空光速C和地球在真空中的公转速度V⊕）,他进而引出了相对论的理论让人们相信了这个“运动方向长度收缩”的假设.

4　爱恩斯坦的“光速不变原理”存疑

4.1“光速不变原理”的确切涵义

爱恩斯坦的“光速不变原理”实际上是用“真空”替换了“以太”概念的斐兹杰拉-洛伦兹变换的两个约定前提的另种说法,于是“光速不变原理”的假定同样具有以下两重涵义［7］（否则无法推导出斐兹杰拉-洛伦兹变换来）∶①光在真空中的传播速度为常量C,C值与光源运动无关（以下简称为原理①）.②相对于任何运动的惯性参照系,真空光速仍为常量C（以下简称为原理②）.

图7　光速不变原理的内部矛盾

有悖常理的是,爱恩斯坦在没有定义光速之前就提出“光速不变原理”,然而根据“光速不变原理”涵义的上述两重性,他是根本无法定义光速的.比如,原理①表明∶真空光速C就是相对静止空间的绝对速度——因为无论光源如何运动其速度都没法迭加到光速C上,所以运动的光源在某瞬间发出的光脉冲,其波前的速度必定是以发出光脉冲瞬间光源的瞬心为中心作球面扩散的绝对速度；但原理②却明确否定绝对速度的存在——无论惯性参照系以什么速度运动,真空光速C都是该参照系的相对速度.光速究竟是绝对速度抑或相对速度——莫衷一是.

4.2“光速不变原理”是矛盾命题

现在首先假定爱因斯坦的“光速不变原理”是正确的.那么如图7所示∶假设K＇系相对静止的K系作匀速直线运动,在K＇系坐标原点O＇上固定一个光源S,当两个坐标系原点O与O＇重合的瞬间,K＇系的光源S发出一个光脉冲.于是按照原理①∶由于C值与光源S运动无关,光脉冲应该按绝对速度C在K系以O点（光源发出光脉冲瞬间的瞬心）为圆心作球面扩散；但按照原理②∶光脉冲应该按相对速度C在K＇系以O＇点为圆心作球面扩散,此时在K＇系C值与光源S的运动相关.这样在K＇系就发生了与原理①矛盾冲突的事件.从而证明原理①与原理②不相容.

这是因为∶原理①明确否定了光源运动速度对于光速的可迭加性；但原理②却又赋以参照系其运动速度对于光速的可迭加性；所以一旦将运动的光源视为参照系就不可避免发生原理①与原理②矛盾冲突.可见“光速不变原理”涵义的两重性本身就是一个矛盾命题.

显然这种矛盾就是利用“以太”观点的两个错误假设前提推导出斐兹杰拉-洛伦兹变换时所产生的.

问题在于,如果没有这两个以太观点的假设前提又推导不出洛伦兹变换,为此爱恩斯坦只能相信“以太”或许是存在的.1920年爱恩斯坦在题为《以太和相对性原理》的演讲中说∶“根据广义相对论,空间没有以太是不可思议的.实在的,在这种（空虚的）空间中,不但光不能传播,而且量杆和时钟也不可能存在,因此也就没有物理意义上的空间—时间间隔……因此,在这种意义上说,以太是存在的.［1,8］”

电磁波是物质的,在某瞬时其波前的光子所到达的空间应该是唯一的,不可能在图7那两个人为设定的参照系中同处两地.可见,爱恩斯坦的“光速不变原理”存在问题,是一个视乎没有“以太”字眼却基于以太观念的假定.

5　尝试定义光速

笔者认为能够影响光速的不是光源,不是“以太”,更不是人为设置的参照系.而应该是能使光减速的介质系统,或是能使光拐弯的引力场系统,以及能使光谱线分裂（塞曼效应）的磁场系统,即能够曳带光和电磁波的任何受力系统.

5.1光速的定义

在上述的前提条件下,对光速可作如下定义.

定义1光在真空中不受力的情况下,其传播速度为一常量C,C值与光源运动无关,C是相对静止空间的绝对速度.

定义2在光的受力系统的惯性参照系中,光速是受力系统的相对速度,在真空的引力场系统或磁场系统中,光的相对速度为一常量C＇.

所谓光的受力系统指的是引力场、磁场或介质系统等惯性参照系.在真空中C与C＇的量值相同,只不过前者是绝对速度,而后者则是相对速度.在介质系统中光的相对速度为（C＇/n）,其中n为介质相对真空的折射率.

图8　背景辐射温差距平在天球上的余弦分布

图9　太阳系绝对运动的方向与速度

5.2光速定义的阐释

从定义1可知∶C是一种理想状态，在没有引力场或零磁场真空里的光源发出的光波的速度就是绝对速度C（但这种无引力场或零磁场的空间几乎不存在）；或者当宇宙只有一颗处于匀速直线运动的恒星时,且星光越来越远离恒星的引力场时就会出现C＇逐渐趋近于绝对速度C（显然这种情况也不存在）.

从定义2可知∶在现实宇宙里恒星发出的光线随着传播距离增大,光速C＇逐渐成为更高级别的天体引力系统的相对速度（这样双星系统也不会出现“魅星”［1］现象）,当天体系统越大时系统的平均速度越接近于零——即系统趋于绝对静止［4］,进而导致光速C＇逐渐趋近于C成为绝对速度.

因此,经过非常遥远距离（非可视空间）传播过来的3K微波背景辐射的波速,就是相对巨大静止天体系统的绝对速度C.

于是∶美国人利用U2型飞机、COBE卫星、WMAP卫星,探测到非可视空间3K背景辐射强度平滑处理后的温差距平 （温差距平极值约为±0.003 5K±0.000 6K）呈“天空大余弦”（The great Cosine in the Sky［6］参见图8）分布,就是太阳绝对运动［4-6］在3K微波背景辐射穿行时产生的多普勒效应所致.运动向点（狮子座）的微波背景辐射的频率较高温度较高；运动背点（宝瓶座）的微波背景辐射的频率较低温度低（参见图9）.

从定义2可2知∶在迈克尔逊——莫雷实验中,人们能检测到的大气介质光速,只是地球参照系的介质系统相对速度（C＇/n）,无法由此获取参照系的运动状态.

6　结语

光行差的实质恰恰就是∶光速和地球相对速度的矢量合成导致光的方向和速度发生了变化所引起的.因为光线相对地球的速度发生了变化,从而否定了光速不变的假设.所以光行差是否定相对论“光速不变原理”的直接证据.

笔者认为∶相对论不应该出自一个基于“以太”观点而设计的失败实验,以及基于一个“以太”观点错误假设前提的解析.

本文仅仅只是不认同“光速不变原理”及其绝对速度不可测量的观点,并尝试定义光速,以期对相对论中的瑕疵给出科学合理的说法,并非全盘否定相对论.

参考文献：

［1］倪光炯,李洪芳.近代物理［M］.上海∶上海科学技术出版社,1979∶22-33.

［2］廖伟迅.光行差测定研究［J］.陕西师大学报∶自然科学版,1995（12）∶23-26.

［3］宣焕灿.天文学名著选译［M］.北京∶知识出版社,1989∶131-140.

［4］廖伟迅.宇宙模型的探究［J］.韶关学院学报∶自然科学版,2013,34（6）∶28-32.

［5］郭兆林.早期宇宙的实验室∶宇宙微波背景［J］.物理双月刊,2005,27（6）∶768.

［6］比亚尔科A B.我们的行星——地球［M］.北京∶地震出版社,1987∶16.

［7］爱恩斯坦A.狭义与广义相对论浅说［M］.香港∶商务印书馆有限公司出版,1976∶15-17.

［8］洪定国.科学前沿集［M］.长沙∶湖南科学技术出版,1998∶136.

（责任编辑∶邵晓军）

中图分类号：P353.5

文献标识码：A

文章编号：1007-5348（2015）10-0030-06

［收稿日期］2015-05-21

［作者简介］廖伟迅（1953-）,男,广东阳江人,韶关学院旅游与地理学院副教授；研究方向∶自然地理学、GIS、GPS等.

Analysls of the M lchelson-M orley ExPerlment and the Permanent PrlnclPle of Llght Veloclty of the Theory of Relatlvlty

LIAOWei-xun
（Schoo1 of Tourism and GeograPhy,Shaoguan University,Shaoguan 512005,Guangdong,China）

Abstract:Fa1sifiedmethod is used to identify aberration of 1ight and Miche1son-Mor1ey exPeriment——the two contradictory ProPosition in the history,to come uPwith a wrong Premise that resu1ts in the fai1ure of the exPeriment.It is in vain for Fiji＇s Gera1d-Lorenz to Put forward thatmovement of the earth＇s frame of reference wi11 1ead to″ether″hyPothesiswhich derived from Lorentz transformation because it is just a fa1se ProPosition.It is a1so Perverse for A1bert Einstein to Point out″Permanent PrinciP1e of 1ight ve1ocity″before defining the sPeed of 1ight.And his PurPose is to rePackage the Fiji＇s Gera1d-Lorenz viewPoint″ether″which 1eads to the theory of re1ativity.However,A1bert Einstein sti11cannot change the 1ogica1 reasoning Process of Lorentz transformation of ″ether″.Ana1ysis shows that the Permanent PrinciP1e of 1ight ve1ocity itse1f is a contradiction ProPosition.Fina11y itattemPts to define the sPeed of 1ight.

Key words:aberration；Miche1son-mor1ey exPeriment；the theory of re1ativity；the sPeed of 1ight constant PrinciP1e