狭义相对论产生的实验基础
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“以太” （ether） ： ➢ 充满整个宇宙的一种绝对静止的特殊媒质 ；
➢ 电磁理论成立（真空光速c为常量）的特殊参考系。
物理学家曾设想以太的一些性质：它存在于真空中，又能够穿透任何 透明物质，其密度ρ一定很小。光是横波，以太具有切变模量；光速 很大，以太的切变模量G很大。 摆在物理学家面前的课题：用电磁学或光学的实验方法找出这一绝对 惯性系，或测出我们的地球参考系相对绝对参考系（以太系）的速度 有多大。
Maxwell方程组在Galileo变换下形式不再保持不变。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
2、光速c 不满足经典速度相加定理
1865年麦克斯韦建立了描述电磁现象的麦克斯韦方程组，它的 一个重要推论是存在电磁波。真空中电磁波满足的波动方程为
C 是真空中的电磁波传播速度:
电磁波在真空中沿各方向的传播速度都等于光速，与光源或观 测者的运动无关。这与经典速度相加定理矛盾！
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
二、电磁现象与旧物理学原理的矛盾
在19世纪70年代以前，无人怀疑过绝对时空理论的正确性。
（1）电磁场现象的规律不服从伽利略变换
为了说明电磁现象的规律不满足力学相对性原理，设想有一个 两端带等量点电荷q 的刚性小棒，静止在S‘系中。
SS
v qqr
v v
按照伽利略变换： 力与参考系无关
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
事实上可以证明，Maxwell方程组不可能在 Galileo变换下保持形式不变。
标量函数：( x, y, z, t) ( x ', y ', z ', t ') '
, v t t
, v t t
E B v B
t
(2) 整个装置绕竖直轴转动90度；
两束光程差变为
转动前后光程差改变
入射光
由于地球轨道运动速度
代入上式，得
以太风
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
由此，在干涉仪转动90过程中，目镜将观 测到干涉条纹移动
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
在1887年的迈克尔逊—莫雷实验中 l1 l2 22 米，钠黄光波长 5.9107 m ，取地球轨道速度 v 3.0104 m / s
x'
z z'
在S系中电磁波传播速度各向同性，大小均为c ；而所有相对S系运
动的其它 S'系中电磁波的传播速度不再各向同性。
S 系被认为是绝对静止的，称为绝对惯性系，或叫做以太系。 在力学中无法探测和证实的绝对wk.baidu.com性系在电磁理论中又复活了！
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
在光学的早期研究中，设想光波象机械波一样，需要在介质中传 播。这种介质称为以太（ether），光波就是以太中振动的传播。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
3、Michelson-Morley实验：
假定在“以太”中光速各 项同性且恒等于C，而在其它
参考系光速各项异性。
uN
c2
υ
υ2
c uv
牵连速度
υc uW c υ
c cυ
uE c υ
c
υ c 2 υ2 uS
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
从伽利略变换来看，电磁波的传播显然不满足相对性原理
如果电磁波在某一惯性系S中
y y'
沿各方向的传播速度为c，
则在相对S系速度为v的S'系中
S'
(x, y, z; t )
(x', y', z'; t')
在v方向上电磁波的传播速度为 c v，
x
在v方向上电磁波的传播速度为 c + v O O'
现象。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
3) 收缩假定（1892年洛仑兹—斐兹杰惹）
假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为 l 1 v2 c2，
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
2) 拖曳理论
地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以
太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光
行差现象矛盾。
恒星光行差现象：观察恒星光 线的视方向与“真实”方向之 间有一夹角。这说明若以太存 在，将不能被地球拖动。若被
S
v
v
c
拖动则地球上将看不到光行差
n 0.37
实验结果:没有观测到条纹的移动。
迈克尔孙和莫雷以后进一步改进仪器，并在不 同季节和地球上不同地方多次实验都得到相同的否 定结果。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
A. Einstein with W. Adams, A.A. Michelson, R.A. Millikan 迈克耳孙（A. A. Michelson）美籍德国人，因创造精
迈克尔逊—莫雷实验:企图发现地球相对以太的 绝对运动，并测出地球相对以太的运动速度。
迈克耳逊干涉仪
M M
干涉条纹
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
OM1 l1，OM 2 l2 且两镜不严格垂直。
M
臂长 M 11 m
M M
M
M 干涉条纹
l1 l2 22m λ 5.9 107 m υ 3.0 104 m / s
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
实验步骤及分析
（1）使干涉臂 沿地球公转方向；
光束在OM1段往返所需时间
入射光
光束在OM2段往返所用时间
以太风
这两束光程差
实验中将干涉仪绕竖直轴旋转900，干涉仪的两条支路地位互换， 滞后的时间差和光程差改变符号，结果引起干涉条纹移动。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
SS vq v r qv
在S'系中，两电荷相互作用静电力 在S系中，两电荷除存在Coulomb力外，其中每一个电荷又处在另 一电荷电流的磁场中，还要受到Lorentz力的作用。
S 系：电力加磁力 这一结果显然不可能由Galileo变换得出。
Coulomb定律是电磁理论的基础，所以电磁现象的规律不满足力 学相对性原理。
密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出 光速，获1907年诺贝尔物理奖。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
对实验结果的几种解释
1) 地球相对以太静止论
地球为绝对参照系，光速在地球上恒为C且各 向同性。这样显然光程差为零，在地球上实验条纹 不移动。但此解释必然得出地球是宇宙中心的结论。 同时太阳光在地球周围各向同性，但太阳相对地球 运动，仍不符合经典速度合成。
➢ 电磁理论成立（真空光速c为常量）的特殊参考系。
物理学家曾设想以太的一些性质：它存在于真空中，又能够穿透任何 透明物质，其密度ρ一定很小。光是横波，以太具有切变模量；光速 很大，以太的切变模量G很大。 摆在物理学家面前的课题：用电磁学或光学的实验方法找出这一绝对 惯性系，或测出我们的地球参考系相对绝对参考系（以太系）的速度 有多大。
Maxwell方程组在Galileo变换下形式不再保持不变。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
2、光速c 不满足经典速度相加定理
1865年麦克斯韦建立了描述电磁现象的麦克斯韦方程组，它的 一个重要推论是存在电磁波。真空中电磁波满足的波动方程为
C 是真空中的电磁波传播速度:
电磁波在真空中沿各方向的传播速度都等于光速，与光源或观 测者的运动无关。这与经典速度相加定理矛盾！
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
二、电磁现象与旧物理学原理的矛盾
在19世纪70年代以前，无人怀疑过绝对时空理论的正确性。
（1）电磁场现象的规律不服从伽利略变换
为了说明电磁现象的规律不满足力学相对性原理，设想有一个 两端带等量点电荷q 的刚性小棒，静止在S‘系中。
SS
v qqr
v v
按照伽利略变换： 力与参考系无关
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
事实上可以证明，Maxwell方程组不可能在 Galileo变换下保持形式不变。
标量函数：( x, y, z, t) ( x ', y ', z ', t ') '
, v t t
, v t t
E B v B
t
(2) 整个装置绕竖直轴转动90度；
两束光程差变为
转动前后光程差改变
入射光
由于地球轨道运动速度
代入上式，得
以太风
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
由此，在干涉仪转动90过程中，目镜将观 测到干涉条纹移动
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
在1887年的迈克尔逊—莫雷实验中 l1 l2 22 米，钠黄光波长 5.9107 m ，取地球轨道速度 v 3.0104 m / s
x'
z z'
在S系中电磁波传播速度各向同性，大小均为c ；而所有相对S系运
动的其它 S'系中电磁波的传播速度不再各向同性。
S 系被认为是绝对静止的，称为绝对惯性系，或叫做以太系。 在力学中无法探测和证实的绝对wk.baidu.com性系在电磁理论中又复活了！
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
在光学的早期研究中，设想光波象机械波一样，需要在介质中传 播。这种介质称为以太（ether），光波就是以太中振动的传播。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
3、Michelson-Morley实验：
假定在“以太”中光速各 项同性且恒等于C，而在其它
参考系光速各项异性。
uN
c2
υ
υ2
c uv
牵连速度
υc uW c υ
c cυ
uE c υ
c
υ c 2 υ2 uS
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
从伽利略变换来看，电磁波的传播显然不满足相对性原理
如果电磁波在某一惯性系S中
y y'
沿各方向的传播速度为c，
则在相对S系速度为v的S'系中
S'
(x, y, z; t )
(x', y', z'; t')
在v方向上电磁波的传播速度为 c v，
x
在v方向上电磁波的传播速度为 c + v O O'
现象。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
3) 收缩假定（1892年洛仑兹—斐兹杰惹）
假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为 l 1 v2 c2，
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
2) 拖曳理论
地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以
太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光
行差现象矛盾。
恒星光行差现象：观察恒星光 线的视方向与“真实”方向之 间有一夹角。这说明若以太存 在，将不能被地球拖动。若被
S
v
v
c
拖动则地球上将看不到光行差
n 0.37
实验结果:没有观测到条纹的移动。
迈克尔孙和莫雷以后进一步改进仪器，并在不 同季节和地球上不同地方多次实验都得到相同的否 定结果。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
A. Einstein with W. Adams, A.A. Michelson, R.A. Millikan 迈克耳孙（A. A. Michelson）美籍德国人，因创造精
迈克尔逊—莫雷实验:企图发现地球相对以太的 绝对运动，并测出地球相对以太的运动速度。
迈克耳逊干涉仪
M M
干涉条纹
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
OM1 l1，OM 2 l2 且两镜不严格垂直。
M
臂长 M 11 m
M M
M
M 干涉条纹
l1 l2 22m λ 5.9 107 m υ 3.0 104 m / s
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
实验步骤及分析
（1）使干涉臂 沿地球公转方向；
光束在OM1段往返所需时间
入射光
光束在OM2段往返所用时间
以太风
这两束光程差
实验中将干涉仪绕竖直轴旋转900，干涉仪的两条支路地位互换， 滞后的时间差和光程差改变符号，结果引起干涉条纹移动。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
SS vq v r qv
在S'系中，两电荷相互作用静电力 在S系中，两电荷除存在Coulomb力外，其中每一个电荷又处在另 一电荷电流的磁场中，还要受到Lorentz力的作用。
S 系：电力加磁力 这一结果显然不可能由Galileo变换得出。
Coulomb定律是电磁理论的基础，所以电磁现象的规律不满足力 学相对性原理。
密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出 光速，获1907年诺贝尔物理奖。
§1-1 狭义相对论产生的背景与实验基础
对实验结果的几种解释
1) 地球相对以太静止论
地球为绝对参照系，光速在地球上恒为C且各 向同性。这样显然光程差为零，在地球上实验条纹 不移动。但此解释必然得出地球是宇宙中心的结论。 同时太阳光在地球周围各向同性，但太阳相对地球 运动，仍不符合经典速度合成。