學過物理的讀者對光的干涉一定不陌生，作為光的波動性的基本特征，兩束或多束光在空間中相遇后，在重疊區內形成穩定的強弱強度分布。光的干涉特性被廣泛用於干涉技術與薄膜技術。然而，在19世紀末，關於光的傳播介質仍然存在諸多謎團。這一切都引向了“以太”的概念。

在古希臘時期，哲學家們為了解釋自然界的現象提出了“以太”的概念。亞裡士多德認為，“以太”是構成宇宙的五大元素之一，與水、火、風、土不同，它是一種存在於天空上層的神秘物質。這種物質永恆不變且充滿了宇宙中的所有空間。在亞裡士多德的宇宙論中，“以太”的存在不僅是對天體運動的一種解釋，也是古代希臘哲學試圖揭示宇宙本質的一部分。

隨著科學的發展，“以太”的概念經歷了多次演變。到了17世紀，笛卡爾將“以太”引入他的哲學和物理學體系。他認為，物質間的相互作用必須通過某種介質來傳遞，因此空間不能是空無一物的。笛卡爾視“以太”為這種介質，認為它充滿了整個空間，傳遞力和運動。笛卡爾的“以太”概念不僅是對物理現象的解釋，更是他機械哲學體系的重要組成部分。在他的世界觀中，“以太”是一個無處不在、無孔不入的流體，通過渦旋運動解釋天體的運行和物質的相互作用。

“以太”理論在牛頓時代得到了進一步的發展，牛頓提出，“以太”可能是一種非常稀薄的物質，具有極小的質量和高度的彈性，能夠傳遞光和引力。牛頓的“以太”概念在解釋光的波動性和力的傳遞方面提供了一種可能的機制，盡管這一理論在當時仍有很多爭議。到了19世紀，“以太”的概念在電磁學的發展中得到了新的闡釋。麥克斯韋的電磁理論將電、磁、光統一在一個框架內，並假設“以太”作為這些現象的傳播介質。

盡管“以太”假說在19世紀的科學界佔據重要地位，但它始終缺乏實驗証據的支持。為了驗証“以太”的存在，美國物理學家阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷、在1887年設計並實施了一個重要的實驗，這就是著名的邁克爾遜-莫雷實驗。根據“以太”假說，地球以每秒30公裡的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公裡的“以太”風迎面吹來，那麼地球在“以太”中運動時，光的傳播速度應該在不同方向上有所不同。為此，邁克爾遜設計了一種精密的干涉儀，稱為邁克爾遜干涉儀。

邁克爾遜干涉儀的設計巧妙地利用了光的干涉原理。它由光源、分光鏡、反射鏡和屏幕或檢測器等部分組成。光源產生一束單色光（通常是鈉燈發出的黃光），分光鏡將入射光束分成兩束等強度的光束，分別沿不同方向傳播。這兩束光分別被兩個反射鏡反射，然后重新匯聚到一起。兩束光重新匯聚后會產生干涉條紋，這些條紋可以在屏幕上觀察到或者通過檢測器記錄下來。通過旋轉干涉儀，可以改變光束傳播的方向，從而測量不同方向上的光速。如果地球在“以太”中運動，那麼兩束光的傳播速度應該存在微小差異，這種差異會導致干涉條紋的移動。

然而，實驗結果出乎意料。無論邁克爾遜和莫雷如何調整實驗裝置，光速在所有方向上都沒有表現出預期的變化。這一結果表明，“以太”假說存在嚴重問題，因為如果“以太”存在，光速應該表現出方向依賴性。邁克爾遜-莫雷實驗的結果對“以太”假說提出了致命挑戰，引發了科學界的廣泛討論。

許多物理學家試圖解釋這一結果，包括“以太”部分拖拽假說和洛倫茲變換，但這些解釋都未能完全解決問題。“以太”部分拖拽假說認為，“以太”在地球附近被“拖拽”著移動，從而解釋光速的不變性。然而，這種假說未能得到實驗証據的支持。另一方面，洛倫茲變換雖然能夠解釋邁克爾遜-莫雷實驗的結果，但其理論框架仍然假設“以太”的存在。洛倫茲變換通過引入時間膨脹和長度收縮的概念，試圖協調經典力學與電磁理論，但在此過程中並沒有徹底摒棄“以太”的概念。

直到1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，徹底摒棄了“以太”的概念。他的理論基於兩個基本假設：光速在真空中對於所有觀察者都是恆定的，且物理定律在所有慣性參考系中都是相同的。愛因斯坦的相對論解釋了邁克爾遜-莫雷實驗的結果，光速不變不需要任何介質。這一理論不僅解釋了光的傳播問題，還深刻改變了我們對時間和空間的理解。

狹義相對論提出，時間和空間並不是絕對的，而是相對的，取決於觀察者的運動狀態。光速作為一種基本常數，在所有慣性參考系中保持不變。這一革命性觀點不僅解決了邁克爾遜-莫雷實驗的矛盾，還開啟了現代物理學的新紀元。而邁克爾遜雖然沒有証明“以太”的存在，但因其在光學干涉技術上的杰出貢獻，於1907年獲得諾貝爾物理學獎，成為第一個獲得該獎項的美國人。作為一個杰出的精密測量學家，其設計的邁克爾遜干涉儀對科學界產生了深遠影響。他的成就不僅限於邁克爾遜-莫雷實驗，這一儀器也不僅用於檢測“以太”假說。

邁克爾遜干涉儀能夠極為精確地測量長度變化，因而被廣泛應用於基礎物理研究、天文學、光學計量等領域。例如，在天文學中，邁克爾遜測星干涉儀用於測量恆星的直徑，並且能夠探測到極其微小的波長變化，這對天體物理學的發展至關重要。此外，干涉儀技術在測量光的波長、確定光譜線的精細結構以及在精密測量設備的校准中都扮演了重要角色。邁克爾遜干涉儀的精度和靈敏度使其在現代科學研究中依然具有不可替代的地位，其影響遠遠超出了最初的設想，成為科學儀器中精密測量的典范。

邁克爾遜通過他的發明和研究，不僅推動了光學和物理學的發展，還為后續科學家的研究提供了堅實的基礎。他的工作和愛因斯坦的理論一起，構成了現代物理學的基石的一部分，極大地拓展了人類對自然界的理解。

作者：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究生蔡文垂

審核：中國科學院高能物理研究所研究員李明

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