邁克生-莫雷實驗（Michelson–Morley experiment）

邁克生-莫雷實驗（Michelson–Morley experiment）
國立臺中女子高級中學物理科陳正昇老師/國立彰化師範大學吳仲卿教授責任編輯

1887年，美國物理學家邁克生和莫雷合作，利用高精密的干涉儀設計了一個光學干涉實驗，這個實驗預期可以用來測量地球相對於乙太的運動。結果證明這個實驗是物理史上一個「最著名」的「失敗」實驗。

之所以「失敗」是因為它的結果完全沒有顯示實驗設計者預先想要看到的干涉現象，之所以「最著名」是因為恰恰就是如此高精密的實驗數據，徹底否定了乙太的存在，爲愛因斯坦建立狹義相對論開闢了道路。由於發明了精密的光學儀器和借助這些儀器所做的基本度量學的研究，邁克生於1907年獲得了諾貝爾物理學獎。

十九世紀的物理學家普遍認為，就像聲波傳播時需要空氣作為傳播介質，光波在宇宙間傳播時也需要一種特殊的傳播介質，叫做「乙太」。因為光幾乎可以在宇宙間任何一個地方傳播，所以乙太必瀰漫充斥在整個宇宙。但是光速是如此之快，所以要設計一個實驗測量乙太的存在與性質並非易事，而是需要一番相當的巧思。

「乙太風」就是一個很好的觀點。我們知道地球在其公轉軌道上，以大約每秒30公里的速率繞日運行，而太陽也以更高的速率繞著銀河系的中心運行著，所以在地球上必然能夠測量到迎面而來的乙太風。雖然理論上，在某個時刻地球與乙太的相對運動可能為零，但是因為地球的運動速率與方向時時在變化，所以地球與乙太不可能一直保持相對靜止。

在地球表面上任何特定點，「乙太風」的風力和風向會隨時間和季節而異，通過分析在各個方向、在不同時刻的光速，就可以測量出地球相對乙太的運動速率。但因為地球繞太陽的軌道速率大約只有萬分之一的光速，因此預期可測量到光速的差異是相當小的，在十九世紀中葉，有一些物理學家就曾經想要完成這些測量，但是精密度的要求遠遠超出當時的儀器設備所能提供的，因此都無功而返。

後來邁克生總算想出了一個方法，可以提供足夠的精密度用以測量「乙太風」。在這個後來被稱作邁克生干涉儀的儀器中，有一點光源發出的白光通過一片半鍍銀鏡，將光線分為兩束互成垂直的光束，然這兩束光線分別向前傳播到長臂盡頭，遇到反射鏡再反射回中央的小平面鏡上，然後這兩束光被重疊在一起送到目鏡端。因為此二光束在往返長臂間所需的時間不同，故在目鏡端會產生建設性和破壞性的干涉圖案。

邁克生和莫雷設想：如果地球是穿過一個均勻的乙太介質，那麼垂直於乙太風來回傳播的光束將會快於平行於乙太風的光束，而這兩者間的時間差可以透過它們的干涉結果被偵測出來，任何微小的時間差異都可以轉換成觀察干涉條紋的位置變化。如果乙太相對於太陽是靜止不動的，那麼地球的運動會產生單一干涉條紋寬度的百分之四的條紋位移。

然而，出乎意料的是，從實驗中並沒有看到條紋的移動。看來地球的移動對光速並沒有任何影響，即光在地面上沿任何方向傳播的速度都相同。1905年，愛因斯坦抛棄乙太的假設、以光速不變原理和相對性原理爲兩個基本假設，建立了狹義相對論。狹義相對論認爲空間和時間並不相互獨立，而是一個統一的四維時空整體，並不存在絕對的空間和時間。

參考資料：
維基百科 http://en.wikipedia.org/wiki/Michelson%E2%80%93Morley_experiment