? ? 提到邁克爾—莫雷干涉實驗，那就得先從19世紀物理學大廈兩朵烏云講起。1900年，英國科學家開爾文男爵也開始承認，物理學的天空中飄著令人不安的烏云。
開爾文在皇家學家的演講中提到：
“十九世紀已將物理學大廈全部建成，今后物理學家的任務(wù)只是修飾和完善這座大廈，……物理學晴朗的天空還存在兩朵小小的烏云，一朵是熱輻射中的‘紫外災(zāi)難’，另一朵是邁克爾—莫雷干涉實驗的以太零結(jié)果”。這就是開爾文所預言的“兩朵烏云”，但是他沒想到的是，就是晴朗天空上兩朵小小的烏云，不斷升級演化成巨大的風暴。正是這兩朵烏云的突破，建立了近代物理學的兩大支柱：量子力學和相對論。前面我們說到了狹義相對論的根基，光速不變原理。也就是對于任何一個觀察者，不管他的運動速度是多少，他去測量光速永遠都會得到一個不變的值。既然說到了測量，那科學家究竟是如何證明光速真的是不變的呢？這就要說到19世紀末那個著名的實驗——邁克爾遜-莫雷實驗。我們就來說說看這個實驗是怎么證明光速不變的。理解這個實驗，需要建立三個階段的認知。
1. 波的傳播需要介質(zhì)
第一階段，我們要理解：波動的傳播是需要介質(zhì)的。
1.1 什么是波？
光，其實就是電磁波。跟我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的聲波、水波一樣，電磁波也是一種波動，它是電磁場的波動。
水波和聲波很好理解，比如你往水里扔一塊石頭，這塊石頭會在水面上泛起漣漪，漣漪會以石頭為中心擴散出去；我們之所以能聽到聲音，是因為空氣的波動傳到了人的耳朵里，刺激了聽覺神經(jīng)。水波和聲波分別是水和空氣在作上下起伏的振動，而電磁波也是電場和磁場在作類似的變化。
1.2 光波靠什么傳播？
這里就出現(xiàn)了一個問題：波的傳播是需要介質(zhì)的。聲音在空氣里傳播，空氣就是聲音傳播的介質(zhì)。我們上中學的時候都做過一個實驗：把一個正在響的鬧鐘放在玻璃罩子里，如果你把玻璃罩子里的空氣不斷抽走，就會發(fā)現(xiàn)鬧鐘的聲音越來越小，等空氣都抽完了，你也聽不到鬧鐘的聲音了。這就是因為空氣作為介質(zhì)不存在了，聲音也就無法傳播了。
但電磁波的傳播似乎不需要介質(zhì)，因為宇宙飛船跟地球通信，用的就是電磁波。在太空中，沒有水也沒有空氣，電磁波是怎么傳播的呢？
于是早年的科學家們就提出了一種假想的介質(zhì)，叫做以太（Ether）。以太這種東西看不見摸不著，彌漫在整個宇宙空間當中，光和電磁波就是通過以太這種介質(zhì)進行傳播的。邁克爾遜-莫雷實驗最初的目的，就是去尋找以太這種物質(zhì)。
2. 波的干涉現(xiàn)象
這就來到了第二階段的認知，我們要理解一個物理現(xiàn)象。只要是波，不管是聲波還是光波，甚至我們在之后的課程中會介紹的物質(zhì)波，它們都有一個現(xiàn)象，叫做波的干涉。
2.1 波的疊加原理
一束波，準確的說是橫波，它的樣子大概是一條上下振動的曲線，中學里學過的有正弦波和余弦波。波，有波峰和波谷?，F(xiàn)在想象一下你是一個空氣分子，當一束聲波傳過來的時候，你如果經(jīng)歷了這個波動，你就會上下運動起來。當波峰經(jīng)過你的時候，你會向上運動，波谷經(jīng)過你的時候你就向下運動。
再考慮如果有兩束振動情況相同的聲波同時向你傳遞過來，兩束波都經(jīng)過你的時候你會怎么振動？其實就是把兩束波的運動直接相加：如果兩束波都讓你往上運動，你的運動幅度就比一束波的時候更大；如果一束讓你往上，一束讓你往下，你就折中一下，干脆不動了，這就是波的疊加原理。
2.2 光波的疊加的效果
只要是波，都滿足疊加原理。如果換成是光波，假設(shè)有兩束光波的波峰同時經(jīng)過你，你的振動幅度更大，能量更強，就會顯得更明亮。如果是一個波峰和一個波谷經(jīng)過你，你的振幅小，能量弱，就會變暗。
所以當兩束光打到同一片區(qū)域發(fā)生干涉現(xiàn)象時，有的位置是波峰碰波峰，或者波谷碰波谷，有的地方是波峰碰波谷，在這個區(qū)域內(nèi)就會形成明暗相間的條紋。
3. MM實驗的原理
第三階段，我們來了解一下邁克爾遜-莫雷實驗的原理，它就是基于波的干涉現(xiàn)象發(fā)明出來的。
邁克爾遜和莫雷是兩位物理學家的名字，他們因為這個實驗獲得了1907年的諾貝爾物理學獎。這個實驗就是為了去驗證以太是否存在。
3.1 波相對于介質(zhì)的速度永遠恒定
首先要明確一點，波相對于它的介質(zhì)的速度是恒定的。我們說聲速是340m/s，其實指的是聲音相對于空氣的速度。空氣靜止的時候，聲速對于人來說也是340m/s，但如果風是伴隨著一個聲音迎面吹來的，這個時候聲音相對于你的速度就不是340m/s了。
以太被假設(shè)為光的傳播介質(zhì)，所以光相對于以太的速度是恒定的，就是每秒30萬公里。
如果以太存在的話，當時的科學家們假設(shè)它是彌漫在全宇宙空間中，相對于太陽是靜止的。
地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是30km/s，所以地球是在以太中穿行的。如果一個人站在北極點，面向地球公轉(zhuǎn)的方向，就會有一陣以太風，以地球公轉(zhuǎn)的速度迎面吹來，雖然他感覺不到。
3.2 MM實驗儀器的設(shè)置
邁克爾遜和莫雷做了一臺儀器，名叫邁克爾遜干涉儀。
首先左邊是一個光源，它會發(fā)出一束光，打到中間的分光鏡上；
分光鏡會把這束光分為兩束，一束繼續(xù)向右，一束垂直于原方向向上射出；
然后在右邊和上邊各放一面鏡子，鏡子會讓兩束光線回彈；
這兩束光線在中間匯聚以后，再被一個裝置匯聚到下方。
這里要明確的是，兩面反射鏡跟中間分光鏡的距離，須調(diào)節(jié)至完全相等。
3.3 MM實驗的干涉條紋
那么根據(jù)波的干涉原理，這兩束光匯聚以后打到同一個地方，就會發(fā)生上面所說的干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生一個明暗相間的條紋。
具體干涉的形態(tài)跟什么有關(guān)呢？跟兩束光傳遞到下面這個觀察處的時間差有關(guān)。不妨想象一下，我們假設(shè)一個有兩束波，他們的波長完全相同，傳遞的速度也完全相同，那么兩束波的運動周期也是一樣的，我們不妨假設(shè)波的周期是兩秒鐘，也就是一個完整的波需要兩秒鐘才能傳遞完，好了，如果兩束波到達的時間差是兩秒鐘的整數(shù)倍，那么這兩束波的步調(diào)就是完全一致的，要么波峰和波谷一定是同時到達的，但是如果兩束波到達的時間差是一秒鐘，或者說是奇數(shù)秒鐘，3秒，5秒，7秒，那么就會出現(xiàn)波峰遇到波谷的情況。
3.4 如果以太存在……
現(xiàn)在我們來調(diào)節(jié)一下整臺實驗儀器的方位，讓向右傳播的光線的方向，剛好是逆著以太風運行的。那么相應(yīng)的，向上傳播的光線的方向，就垂直于以太風。
這種情況下，如果以太存在，兩束波到達下方匯聚的時候，一定會存在一個時間差。道理很簡單，因為向右邊傳播的光線到達右邊的鏡子再彈回來，去的時候是逆風，回來的時候是順風。所以對于這個放在地球上不動的干涉儀來說，光線去的時候和回來的時候速度是不一樣的。并且光一來一回走過的路程，也就是右邊鏡子到中間分光鏡的距離，是可以量出來的，這樣就可以計算出這一來一回的時間。
同理，向上射出的光線雖然既不逆風也不順風，它一來一回的時間也能計算出來。最后我們會發(fā)現(xiàn)這兩個時間是不一樣的，所以這兩束光匯聚后會形成干涉條紋。
這個時候如果轉(zhuǎn)動這臺干涉儀，比如讓它轉(zhuǎn)過45度角。那么在轉(zhuǎn)動的過程中，兩束光線相對于以太風的運動方式一直在改變，所以它們相對于實驗儀器的速度也一直在變?？梢韵胂螅瑑墒獾臅r間差在轉(zhuǎn)動過程中也一直在改變，最后就會影響到干涉條紋。也就是如果以太風存在的話，干涉條紋的形狀會發(fā)生變化。
3.5 MM實驗的結(jié)果
然而這個實驗做出來的結(jié)果令人大失所望，不管你怎么轉(zhuǎn)動實驗儀器，干涉條紋都不發(fā)生一丁點的變化，實驗結(jié)果跟以太的基本假設(shè)完全不一致。
所以，邁克爾遜-莫雷實驗的結(jié)果向我們證明了兩件事：第一，以太并不存在，光可以在真空中傳播，不需要任何介質(zhì)；第二，光速跟測量者的運動狀態(tài)沒有關(guān)系，它在任何情況下都是不變的。很顯然，地球的公轉(zhuǎn)完全沒有影響到我們測量的光速大小。
并且，科學家充分發(fā)揮了嚴謹?shù)膶嵶C精神，在地球上的各種地方，在不同的山上都做過這個實驗。甚至到了21世紀還有人去做這個實驗，實驗設(shè)備達到了10億億分之一的精度，仍然沒有什么結(jié)果。
這里就印證了我在綜述里介紹的方法論：先歸納，基于波相對于介質(zhì)速度不變這一點，假設(shè)光相對于以太的速度也不變；再推演，推導出如果以太存在，會有干涉條紋的變化發(fā)生；最后驗證，驗證出來跟推演不符，就說明一開始的歸納錯了，以太并不存在。
到這里，我們就通過實驗證明了光速不變原理。如果你要繼續(xù)問，為什么光速是不變的？這個問題就無法回答了，因此它是基本原理。原理是通過歸納法歸納得來的，是邏輯推理的源頭，它不能用演繹法證明出來，也就不能問為什么，只能說世界的規(guī)律本來如此，只能通過實驗去驗證。我們只能把光速不變原理當成推理的原點，承認它的正確性，再由此出發(fā)，看看這個原理能推導出什么結(jié)論。
