牛顿用木桶实验论证绝对时空，“以太”却被迈克耳孙和莫雷宣布死刑 thời gian tuyệt đối||tử hình Newton used the barrel experiment to demonstrate absolute space-time, but "ether" was pronounced dead by Michelson and Morey 牛顿用木桶实验论证绝对时空，“以太”却被迈克耳孙和莫雷宣布死刑

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师

今天 我们 想 讨论一下

爱因斯坦 为什么 要 提出 狭义 相对论 ||||tương đối hẹp|

为了 解释 这个 问题

首先 我们 必须 从 物理学

在 近代 刚刚 开拓 的 一个 人物 说起

这个 人物 就是 伽利略

伽利略 在 他 的 名著

《 关于 两种 世界 体系 的 对话 》 里面

提出 了 著名 的 相对性 原理 ||||tính tương đối|

也 叫 伽利略 相对性 原理 |||tính tương đối|

伽利略 相对性 原理 是 说

在 一个 惯性 参考系 内部 |||hệ quy chiếu|

你 无法 通过 实验 来 确定 这个 惯性 参考系 的 速度 ||||||||hệ quy chiếu||

比如说 如果 有 一个 车 在 地面 上 静止

我们 在 车里 做 物理 实验

比如 做 一个 物体 自由落体 的 实验

我们 会 发现 它会直 着 往下掉 |||Nó sẽ thẳng||

那么 如果 这个 车是 运动 的

最初 这 列车 正在 匀速 向 右 运动 ||||||phải|

一个 小球 掉下来 的话

从 地面 上 看 这个 小球 会 斜 着 走

原因 是 小球 具有 初速度 ||||vận tốc ban đầu

所以 它 水平 方向 跟车 ||||the car

一样 以 速度 v 运动 竖直 方向 又 自由落体

所以 它 的 合速度 是 斜 着 的 |||tốc độ hợp||||

小球 会 斜 着 走

但是 如果 这个 人站 在 车里 去 看

小球 依然 是 竖直 状态 竖直 向 下落 的

这 也 就 和 第一种 情况 一样

换句话说 伽利略 说

你 在 这个 封闭 车厢 里 做 的 所有 物理 实验

都 没有 办法 确定 这个 封闭 车厢 的 速度

那么 我们 到底 能 不能 确定 一个 参考系 的 速度 呢

牛顿 又 提出 了 第二个 理论

牛顿 说 绝对 参考系 是 存在 的

它 可以 通过 一个 水桶 实验 证明 这件 事儿

牛顿 水桶 实验

牛顿 说 我们 把 一个 水桶 里面 装上 水

这个 水桶 装上 水

本来 这个 水面 应该 是 平 的 应该 是 平 的

但是 如果 我们 让 这个 水桶

绕 着 中间 这个 轴 旋转 起来

我们 就 会 发现 这个 水桶 它 不再 是 平面 了

而是 出现 了 一个 凹形 的 水面 ||||hình lõm||

这 就是 当 它 旋转 起来 的 时候

于是 牛顿 提出

你 看 如果 这个 系统 是 静止 的

那么 这个 水面 就是 平 的

如果 这个 系统 是 运动 的

那么 这个 水面 就是 凹 的

从此 我们 可以 通过 是 平是 还是 凹 |||||bằng phẳng||

来 判断 这个 系统 到底 是 静止 的 还是 运动 的

对于 牛顿 的 这种 说法

它 的 直接 结论 就是

自然界 存在 一种 绝对 静止 的 参考系

人们 可以 把 这种 参考系 称为 以太 参考系

但是 对于 这种 理论 也 有 很多 不同 的 意见

比如说 马赫 就 说 牛顿 这个 想法 是 错 的 |Mạch||||||||

因为 这个 水桶 旋转 实际上 是 相对 于 日月星辰 ||||||||mặt trời mặt trăng sao

如果 你 让 水桶 不 动 日月星辰 旋转 起来 ||||||mặt trời mặt trăng||

那 水桶 也 会 里面 的 水面 向下 弯

谁 对 谁错 似乎 成 了 一个 哲学 问题

人们 也 无法 争论

直到 后来 人们 发现 了 光 可以 在 真空 中 传播

我 这个 问题 变得 越来越 尖锐 了

为什么 呢

因为 我们 知道 一个 波 传播 是 相对 于 介质 的 |||||||||môi trường|

但是 光 可以 在 真空 中 传播

那 真空 的 介质 又 是 什么 呢

人们 重新 回到 了 以太 这个 问题 上

于是 有 形形色色 寻找 以太 的 实验

比如 著名 的 迈克尔 逊 － 莫雷 实验 |||||Murray|

就是 寻找 以太 的

迈克尔 逊 我们 在 上 一个 视频 中 已经 谈到 了

迈克尔 逊 莫雷 这 是 两个 人 寻找 以太 的 实验

那么 这个 实验 是 怎么 做 的 呢

咱们 大概 说 一下

迈克尔 逊 － 莫雷 实验 是 这样 说 的

就是 我们 知道 假如 说 光是在 以太 中 传播 的

而 以太 相对 于 地面 又 有 一定 的 速度

那么 假如 说 这有 一个 光源 |||||nguồn sáng

那么 以太 它 相对 于 地面 的 速度 是 v

于是 我们 就 知道

这个 光源 向 右 发出 的 光 相对 于 地面 上 看

速度 就 已经 不是 光速 c 了 而是 什么

而是 c+v 为什么 呢

因为 光速 是 相对 于 以太 的

而 以太 的 速度 是 v

所以 光 相对 于 地面 就是 c+v

如果 这个 光向 左 传播 它 就 会 逆 着 以太 运动 ||ánh sáng|||||||||

因为 它 相对 以太 的 速度 是 v

所以 它 相对 于 地面 的 速度 就是 c-v

如果 这个 光 想 相对 于 地面 向上 发射

速度 又 是 多 大 呢

你 要 注意

因为 光速 是 相对 于 以太 的

以太 在 向 右 运动

所以 如果 你 希望 这束 光 相对 于 地面 发射 ||||bó|||||

那么 相对 于 以太 光 必须 是 斜 着 发 的

也就是说 相对 以太 的 速度 c 是 这样

在 这个 速度 下 光速 可以 进行 分解

有 一个 向 左 的 速度 v 以 抵消 以太 的 速度

这样一来 它 才 可以 相对 于 地面 向上 发

于是 光 向上 发 的 这个 速度 就是

√(c²-v²) 勾股定理 对 吧 ||định lý Pythagore||

那么 迈克尔 逊 和 莫雷 就 通过 这种 方法 寻找 以太

他 的 实验 装置 是 这样 的

让 一束 光 发射 过来

发射 过来 之后 这里 有 一个半 反半 透镜 ||||||phản xạ|

半反半 透镜 nửa phản nửa透|

那么 这束 光 可以 发生 反射 向上 发射

经过 一个 平面镜 ||gương phẳng

反射 之后 再 回来

回来 之后 经过 这个 玻璃 折射

然后 向下 发射

进入 到 一个 接收 装置 当中

那么 这束 光 也 可以 在 这 透过去 |||||||qua

因为 它 是 半 反半透 的 ||||bán trong suốt|

我们 换 一种 颜色 的 笔

说 一下 透射 光 ||ánh sáng truyền qua|

这个 透射 的 光 透射 过来 了 |transmitted|||||

透射 过来 了 之后 往前 传播

往前 传播 的 时候 这里 也 有 一个 反射镜 ||||||||gương phản xạ

通过 反射镜 反射 再 向下 传播 |gương phản xạ||||

那么 于是 就 会 出现 两束 光 1 和 2

这 两束 光 我们 假设 以太 是 正在 向 右 运动 的

那么 我们 知道 当 你 过去 的 时候

光速 相对 于 地面 就是 c+v

而 回来 的 时候 光速 相对 于 地面 是 c-v

所以 来回 一次 的 时间 t2 就 出来 了

是 L/(c+v)+L/(c-v)

这个 L 是 这个 距离

那么 如果 你 先 向上 发 又 向 下发 ||||||||phát xuống

这个 速度 我们 刚才 推导 出来

就是 √(c²-v²)

我们 让 这个 距离 也 是 L

所以 它 上下 来回 一次 的 时间 t1

就是 2L/√(c²-v²)

显而易见 这 两个 时间 是 不 相等 的

因为 这 两个 时间 是 不 相等 的

所以 我们 探测 一下 这 两束 光

到达 这个 光屏 时 的 条纹 间距 ||||||khoảng cách vạch

干涉 条纹 的 变化

就 可以 知道 时间差

进而 我们 就 可以 算 出 地面

和 以太 之间 的 相对速度 ||||tốc độ tương đối

原本 迈克尔 逊 和 莫雷 是 希望 做到 这 一点

但是 他们 做 了 很 多次 实验

怎么 也 找 不到 这个 以太 的 速度

人们 说 那 是不是 说 以太 相对 于 地面 是 静止 呢

这 也 不 可能

为什么 呢

因为 地球 是 在 围绕 太阳 旋转 的

地球 在 围绕 太阳 旋转 的 时候

它 每时每刻 的 速度 是 不 一样 的 对 吧

那么 你 不 可能 以太 一直 都 相对 于 地球 是 静止 的 吧

于是 这 就 成为 一个 物理学界

这个 阴魂不散 的 阴云

称之为 两朵 乌云 之一

人们 找 不到 以太

但是 因为 光在 传播 中 需要 一个 介质

人们 又 需要 以太

这个 问题 怎么办

人们 始终 没有 想 明白

直到 18 年 之后 爱因斯坦 出现 了

爱因斯坦 说 其实 光 的 传播 是 不 需要 参考系 的

换句话说

光在 所有 参考系 中 传播速度 都 是 一样 的

爱因斯坦 的 这个 结论

才 真正 解释 了 以太 为什么 是 不 存在 的

那么 如果 以太 是 不 存在 的

光 相对 于 任何 参考系 的 速度 都 一样

自然 就要 引出 一个 结论

不同 参考系 下 它 的 空间 距离 和 时间

都 是 要 有 变化

那么 这个 内容 我们 会 在 后面 的 视频 中

给 大家 进行 讲解

大家 如果 希望 听到 更 多 的 物理学 科普知识 ||||||||kiến thức khoa học

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李永乐 老师

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李永乐 老师