電磁場理論建立后呈現(xiàn)的新局面

1、電磁場理論建立后呈現(xiàn)的新局面電磁場理論建立后呈現(xiàn)的新局面牛頓方程具有伽利略變換不變性牛頓方程具有伽利略變換不變性麥克斯韋方程不具有伽利略變換不變性麥克斯韋方程不具有伽利略變換不變性表明在不同慣性系下各科學家作力學實驗表明在不同慣性系下各科學家作力學實驗, ,其結果相同其結果相同. .力學相對性原理力學相對性原理因因子子含含vvtzyxBtttzyt vxBttzyxB),( ),(),( 0 D0 BtBE tDH ttzzyyvtxx表明在不同慣性系下各科學家作表明在不同慣性系下各科學家作電磁電磁實驗實驗, ,其結果不同其結果不同可見可見, ,S S 內(nèi)內(nèi)麥克斯韋方程麥克斯韋方程 與與S S

2、 相對于相對于S S的的v有關有關. .電磁規(guī)律不滿足電磁規(guī)律不滿足相對性原理相對性原理不具有伽利略變換不變性不具有伽利略變換不變性 提出新問題提出新問題電磁規(guī)律不滿足電磁規(guī)律不滿足相對性原理相對性原理力學規(guī)律滿足相對性原理力學規(guī)律滿足相對性原理伽利略變換下伽利略變換下 麥克斯韋認為麥克斯韋認為: 電磁場方程組僅在絕對慣性系電磁場方程組僅在絕對慣性系-以太系中成立，以太系中成立， 電磁波在以太中各向傳播速度電磁波在以太中各向傳播速度:smc/ 103/ 1800 1879年麥克斯韋向美國航海歷書局托德年麥克斯韋向美國航海歷書局托德(好朋友好朋友)建議建議(信件信件)：以太慣性以太慣性系系倒底存

3、不存在呢？倒底存不存在呢？若測出了地球相對以太的速度，則便證實了以太慣性系存在若測出了地球相對以太的速度，則便證實了以太慣性系存在. . 測量光線往返的時間，來確定地球相對以太的速度測量光線往返的時間，來確定地球相對以太的速度當時當時, 邁克耳孫正在美國航海歷書局當差，讀到此信邁克耳孫正在美國航海歷書局當差，讀到此信海軍學院的物理教師海軍學院的物理教師擅長光學測量擅長光學測量空氣層厚勻均空氣層厚勻均 等傾干涉等傾干涉 園環(huán)狀園環(huán)狀條紋條紋 光程差變化一個光程差變化一個便有一個條便有一個條紋移動紋移動, ,中央處有中央處有N N個條紋移動個條紋移動, ,則則: : Nh 2 邁克耳孫邁克耳孫-莫

4、雷實驗莫雷實驗回顧邁克耳孫干涉儀回顧邁克耳孫干涉儀極其靈敏極其靈敏! 21)(2k 22cos2 kh亮紋亮紋暗紋暗紋+ +d dh= =/2/2 中央處中央處冒出一個條紋冒出一個條紋G211 M2G1CE觀察鏡觀察鏡hM1M1上下可調上下可調空氣層空氣層S面光源面光源半透半反膜半透半反膜l1l2M 2鏡象鏡象22 l1= l2電磁波電磁波( (光光) )在以太系中各方向傳播速度都為在以太系中各方向傳播速度都為c光對以太光對以太.對于光線對于光線1 1： c光對以太光對以太= u光對地球光對地球+ v地球對以太地球對以太由伽利略速度變換公式：由伽利略速度變換公式：返返: : u光對地球光對地球

5、= c光對以太光對以太+ v地球對以太地球對以太對于光線對于光線2 2：固定固定條紋穩(wěn)定條紋穩(wěn)定正向正向正向正向u光對地球光對地球 v地球對以太地球對以太往往: : u光對地球光對地球= c光對以太光對以太v地球對以太地球對以太以太慣性系以太慣性系v地球對以太地球對以太u光對地球光對地球 v地球對以太地球對以太往返時間為：往返時間為：122111112 cvclvclvcltccvv往返時間為：往返時間為：)/(122222222cvclvclt 往往: :22vcu 返返: :22vcu G211 M2半透半反膜半透半反膜G1CE觀察鏡觀察鏡hM1M 222 l1l2 光線光線1 1與光線與

6、光線2 2的光程差的光程差利用：利用： ; 1112 xxx1 4231211112 xxxx 222221211212 cvlcvl222121)2 ()( 2cvllll 調調M1使使l1l2= l 2212)(cvlttc 對應條紋分布對應條紋分布使干涉儀旋轉使干涉儀旋轉9090光程差變化光程差變化 Ncvl 2222221)(cvlttc 光程差光程差對應新條紋分布對應新條紋分布光線光線1 1、2 2對換對換N個條紋經(jīng)過標線個條紋經(jīng)過標線移動條紋數(shù)移動條紋數(shù)(經(jīng)過經(jīng)過固定固定標線標線條紋數(shù)條紋數(shù))：222cvlN v = v地球對以太地球對以太222221121212)(cvlcvlt

7、tc 固定標線固定標線如果測出了如果測出了N 測測v地球相對以太地球相對以太找到了以太慣性系找到了以太慣性系( (絕對慣性系絕對慣性系) )說明了說明了麥克斯韋方程僅在以太慣性系成立麥克斯韋方程僅在以太慣性系成立說明了電磁規(guī)律不滿足相對性原理說明了電磁規(guī)律不滿足相對性原理說明了說明了麥克斯韋方程麥克斯韋方程不具有洛倫茲變換不變性不具有洛倫茲變換不變性估算干涉條紋的移動數(shù)估算干涉條紋的移動數(shù):=5.910-7m(鈉鈉黃光黃光) l = 11m( (改進后改進后多次反射多次反射) )v 3.0 104m/s(地球公轉地球公轉+ +自轉自轉) )c 3.0 108m/s(光速光速)4 . 0222

8、cvlN 表明表明: :轉動轉動9090后后, ,明紋移動到了暗紋位置明紋移動到了暗紋位置, ,應該能觀察到應該能觀察到條紋條紋移動移動. .但是，干涉條紋但是，干涉條紋紋絲不動紋絲不動這就是以太漂移的這就是以太漂移的“零結果零結果”-第一朵愁云第一朵愁云 愛因斯坦選擇愛因斯坦選擇問題出在哪里呢？問題出在哪里呢？分析分析: :上述推導起始于伽利略速度變換公式上述推導起始于伽利略速度變換公式麥克斯韋方程不具有伽利略變換不變性麥克斯韋方程不具有伽利略變換不變性電磁規(guī)律不滿足相對性原理電磁規(guī)律不滿足相對性原理問題可能出在：問題可能出在：伽利略變換伽利略變換?麥克斯韋方程麥克斯韋方程?相對性原理相對性原理?幾乎所有物理學家認為：麥克斯韋方程組出問題了幾乎所有物理學家認為：麥克斯韋方程組出問題了 或電磁相對性原理出問題了或電磁相對性原理出問題了當時當時, ,只有一人只有一人-愛因斯坦認為：愛因斯坦認為：伽利略變換出問題了伽利略變換出問題了伽利略變換伽利