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为什么迈克尔逊-莫雷实验得到的是零结果？
马海飞
(http://blog.sina.com.cn/gfis2013年1月22日)
在物理学研究发展的历史进程中有过一个非常著名的“迈克尔逊-莫雷实验”（以下简称“迈-莫实验”）。后人从对这个实验结果的解读中得出的三个重要结论是：1）以太不存在，2）光的传播可以不需要介质；3）光速在任何情况下都不会变。这些结论、尤其是后两个结论对后来物理学理论研究的发展方向产生了巨大的影响。以至于让今天的人几乎完全忘记了迈-莫实验的本来目的是什么，而把它当成了一个证明“光传播不需要介质”和“光速不变”的实验。其实，迈-莫实验根本就不是为这两个目的而设计的，其实验结果也并不能成为得出这两个结论的依据。
1.在迈-莫实验中使用的仪器是“迈克尔逊干涉仪”。这个仪器的工作原理是：从光源射出的一束光线被分成两条相互垂直但都与地面平行的光线。这两条光线在途中被反光镜反射回到一个共同的终点。这两条光线所经过的距离完全一样。因为这两条光线来自同一束光，因此在终点测量这两条光线是否同时到达，就可以确认光线的速度是否在不同方向上出现了差别。需要注意的是：1）这是一个两条光线之间“相对光速”的对比实验装置，与光的绝对（实际）速度没有任何关系。所以，这个实验装置测量的不是“光的绝对速度”。2）两条光线的光路都是与地球表面平行的，而不是垂直的。
2.迈-莫实验是一个“以证明以太的存在为目的”而设计严谨和精度极高的物理实验。这个实验设计的前提是，设想：1）“以太”无所不在，充满整个宇宙空间并能够渗透到通常的物质之中；2）以太是一个绝对静止的参考系；3）以太是光传播的介质。在这些前提下，迈-莫实验的原理就是“通过测量不同方向上的光速变化来证明地球与以太之间存在相对运动（即证明有“以太风”存在）”。换句话说，因为以太是光传播的介质，因此，如果地球与以太之间存在相对运动（以太风）的话，那么在地球运动不同方向上的光速就会不同，这样就可以通过测量出不同方向上光速之间的相对不同来证明以太的存在。然而，实验结果证明，不论地球运动的方向与光路的方向是否一致，两条不同方向上的光线之间的相对速度都是相等的。这个结果说明，在宇宙空间中并不存在设想中的那个能够与地球之间产生相对运动的“以太”。也就是说，这个实验结果否定了以太的存在。而且，无论做多少次的重复实验，结果都是一样的。这种与预期结果完全相反的的结果被称为“零结果”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果对以太存在的否定是毋庸置疑的。
3.然而，迈-莫实验的结果虽然证明了以太是不存在的，但并不等于它也证明了宇宙空间是什么都不存在的绝对真空。宇宙空间是否绝对真空的问题并不是一个否定了“以太”存在的实验结果就可以彻底解决的简单问题。相反，在迈-莫实验完成以后，随着研究的不断深入，越来越多的人发现，宇宙空间不可能是绝对真空的。人们可以明显感觉到宇宙空间中一定充满着什么东西。就算那不是以太，也一定会有其他的什么东西存在。否则，很多自然现象和理论问题就无法得到解决。例如引力红移和引力透镜等自然现象就很难解释。实际上，就连否认以太存在的爱因斯坦也有同感。因为如果宇宙空间是没有任何东西存在的“绝对真空”的话，他那个“弯曲时空”的弯曲形状从何而来就是无法想象的了。可是，如果宇宙空间不是绝对真空的话，充满宇宙空间的东西不是以太又是什么呢？迈-莫实验得到的零结果应该得到如何解释才对呢？因此，针对迈-莫实验结果的讨论实际上并没有终结。今天我们仍然有必要对为什么迈克尔逊-莫雷实验得到的是零结果这个问题做出进一步探讨。
4.类似的问题还有，用迈-莫实验的零结果也不足以证明“光的传播可以不需要任何介质”。如果在宇宙空间中的光传播介质并不像以太那样处于绝对静止状态，而是与天体一起运动的话，地球与光传播介质之间就不存在相对运动了，用迈-莫实验当然也就测不出地球运动方向与不同方向光的传播速度之间有任何变化的关系了。这样，得到零结果就是理所当然的事情，根本就不需要大惊小怪。所以，迈-莫实验结果否定的是作为绝对静止参考系的以太的存在，并没有否定宇宙空间中有光传播介质的存在。如果我们用反向思维来解释迈-莫实验的零结果的话，就可以这样来理解：迈-莫实验的结果证明：在宇宙空间中光的传播介质是与天体一起运动的。因此，在有光传播介质存在的情况下照样可以得到同样的结果。
5.另外，迈-莫实验结果也根本就不能证明光的绝对速度是不变的。在迈-莫实验中使用的是比较相对光速的方法，并没有测量每条光线绝对光速的大小。因此，这个实验结果完全不能作为“光速不变”的依据使用。实际上，只要没有“以太风”存在，无论光传播的绝对速度大小如何，迈-莫实验得到的必定都是零结果。因此，如果把迈-莫的实验结果解读成“它证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此确定了光速不变原理”的话，这种解读是完全错误的。如果这种解读成立的话，前提就必然是“绝对静止的以太参考系是存在的”，也就是说，只有在地球与以太之间存在相对运动的情况下如果迈-莫实验仍旧能够得到零结果的话，那才可以说它证明光速在任何情况下都是不变的。然而，人们一方面把迈-莫实验的零结果解读成“以太这个绝对静止惯性系不存在”，另一方面又解读成“光速在不同惯性系和不同方向上都不变”。到底哪个才是对的呢？在我看来，前者（绝对静止参考系的以太不存在）是对的，而后者（光速不变）显然是错的。
6.其实，自然现象已经证明光速是可变的。例如引力红移和引力透镜都是因为绝对光速发生了变化而出现的现象。如果光速不变的话，是不可能出现光线发生弯曲和波长改变现象的。著名的Pound–Rebka实验是一个证明“光具有引力红移现象”的物理学实验。这个实验与迈-莫实验不同，实验中的光路是与地面垂直的，而且，光的走向是单方向而不是往复的。也 就是说，把光源放在地面，在高处测一个结果。再把光源放在高处，在地面测出另一个结果。这个实验测量的不是“光速”而是“频率”。对比光线在不同方向上的测量结果发现，同一束光靠近地面的光频率比远离地面的光频率高。这说明，在光线从地面向上空传播的过程中，光的波长出现逐渐增加的现象。因为所有波长增加的现象都被称为“红移”，并且这个实验中观察到的现象被认为与引力有关，因此把它称为“引力红移”。众所周知，波的一个特点就是，在频率不变的情况下，波长与该波的传播速度成正比。波长越长，波的传播速度越快。光波也不应该例外。因此，红移就意味着速度增加。所以，我们可以做出这样的预测：同一束光在地球平面和垂直这两个方向上的速度肯定是不同的。
7.实际上验证光速可变的实验并不难做。只要把迈克尔逊干涉仪稍加改造一下，让两条光路分别处于与地面平行和与地面垂直的位置上，然后再重复迈-莫实验的话，一定可以得到与迈-莫预期的那种光速变化类似的结果。这么简单的实验却一直没有人做，显然是受到爱因斯坦光速不变原理毒害太深重的原因造成的。这实在让人遗憾。但相信不久的将来一定会有人用这个实验彻底推翻光速不变的谎言。只要这个结果出来了，爱因斯坦的理论也就不攻自破了。其实，即使不做这个实验，现有的其他实验和观察结果也已经间接证明了光速是可变的，只不过人们从主观上不愿意相信而已。更多的人喜欢扮演《皇帝新衣》故事中的那种跟风族的角色，专家说什么就跟着说什么，而不尊重事实。对这些人而言，既然伟大的爱因斯坦已经说光速是不变的了，因此也就没有必要再去做实验去验证了。不仅如此，就算某些实验得到的结果是光速发生了变化（例如引力红移实验），他们也不会承认，而把光速的变化解释成是时间的变化。如果有人能够用这里讲的这个改造后的迈克尔逊干涉仪重新去做迈-莫实验的话，得到的结果就会让人无话可说了。
8.种种迹象都证明，宇宙空间中虽然不存在静止不动的以太，但一定存在着一种什么“东西”。这种东西：1）充满宇宙空间，2）随着天体一起运动；3）没有质量；4）是光的传播介质；5）其分布状态是不均匀的。越靠近天体的地方分布密度越大、越远离天体的地方分布密度越小。光线在密度大的区域中的传播速度相对较慢，在密度小的区域中的传播速度相对较快（表现为引力红移等现象）。这个“东西”到底是什么呢？从以上列出的这些特点来看，这个“东西”除了应该就是最近才发现不久的“质量场”以外，不太可能是任何其他的东西了。
9.“质量场”是2009年才新发现的一个物质基本属性。这就是说，只要是物质就一定具有质量场属性。天体是物质构成的，因此每个天体都有一个属于它自己的质量场。而场在空间的延伸距离是没有界限的，因此它充满整个宇宙空间。因为它是物质的属性，因此它包围在每个物体的周围，并与物体一起运动，所以它随着天体一起运动。质量场是一种场，所以没有质量。因为光的传播形式与质量场密度的分布形式一致，因此可以推测质量场就是光传播的介质。遗憾的是，人类永远也找不到一个不存在质量场的实验环境去直接证明质量场就是光的传播介质。但缺少这个直接的实验结果并不影响其他间接实验结果对质量场就是光传播介质的肯定。
10.用质量场去解释迈-莫实验的零结果是非常简单的：因为地球表面存在质量场，而质量场的密度分布遵循D=M/4πr2。这说明在地球的同一个水平面上的质量场密度是相同的。因此，在同一层质量场中的光速都是相同的。而且，地球的质量场与地球一起运动，不存在二者之间的相对运动。这就是为什么迈-莫实验得到零结果的原因。或者说，迈-莫实验的零结果与质量场理论是一致的。另一方面，在与地球表面的垂直方向上，质量场密度D随着与地心之间的距离r的变化而变化，因此会出现光波相应增加的红移现象。
11.质量场是一个球形场。“场”具有空间的性质。因此，只有质量场的存在才使得“时空弯曲”成为可能。这里所谓的“弯曲”也就是球面上的一个局部区域的形状而已。
总之，迈-莫实验的零结果并没有证明：1）宇宙空间是绝对真空的；2）光传播是可以不需要介质的，和3）光速是绝对不变的。相反，迈-莫实验的零结果与质量场理论是一致的。可以说，宇宙空间中不存在“以太”，但存在“质量场”。质量场就是光在宇宙空间中的传播介质。质量场密度的变化可以导致光速的变化。
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