邁克生誕辰|科學史上的今天:12/19

35歲的年輕物理學家邁克生與他的同事莫利(Edward Morley)對看一眼,無奈地低下頭來。他六年前就開始著手的實驗失敗了!而且他仍然想不出來究竟是哪裡出了差錯。無論是實驗方法的有效性、儀器設備的精確度、或是人為的實際操作,應該都沒有問題,可是測出來「以太風」的相對速度卻遠比理論值小,小到落在誤差範圍之內。

阿爾伯特·邁克生。圖片來源:wikimedia

邁克生還是發表了這個徒勞無功的實驗,從此不再追逐以太。他萬萬想不到,原來他們在1887年所作的這個實驗並非徒勞無功,反而成為決定以太存在與否的關鍵。

一直以來大家對以太的存在卻深信不疑──雖然它從未被察覺。其實科學家只是為了解釋某些現象才假設有以太這東西,例如磁力與重力總要有媒介來傳遞,而電磁波的發現更是強化了以太的必要性,就像水波要有水、聲波要有空氣,沒有以太哪來的電磁波?而且陽光與遙遠的星光既然都能穿越太空來到地球,可見以太無所不在,充滿整個宇宙。

不過按此假設,地球漂浮在以太之海的話,以地球高達時速十萬八千公里的公轉速度,應該會感受到以太風吧?就像飆車會感覺強風迎面襲來一樣。那麼如果同時測量射往不同方向的光,應該會因為以太風的相對速度不同而得到不同的光速。

問題是光速太快了,以太風造成的差異無法直接測得出來(30公里/秒vs. 30萬公里/秒,只有萬分之一的差異)。邁克生想出一個方法,他讓光束經過半鍍銀鏡分成兩道彼此垂直的光束,各自往前打到鏡子後再反射回來。即使速度差異再小,都會因往返的時間不同而造成波峰/波谷位移,產生不同的干涉圖案。邁克生在不同季節、不同時間、不同方位都做了實驗,得到結果都是在誤差範圍內、沒有意義的微小差異。也就是說光往任何方向的速度都一樣,宛如以太不存在似的。

然而邁克生─莫利實驗並未讓世人(包括他自己)放棄以太這個根深蒂固的觀念,勞倫茲(Hendrik Lorentz)特地想出一個解釋:物體在運動方向的長度會收縮,所減少的時間恰好抵消了光速被以太風拖慢所增加的時間。有趣的是,勞倫茲為此建立的勞倫茲轉換方程組,反而成為愛因斯坦於1905年發表的狹義相對論的基礎,而以太正是在此被愛因斯坦宣判為毫無必要的假設。

邁克生─莫利實驗的真義因此浮現,而成為史上最成功的失敗實驗。邁克生也於1907年獲頒諾貝爾物理獎,成為第一位獲得諾貝爾獎的美國人。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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