他實驗失敗,卻是一項成就

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邁克生(Albert A. Michelson)。失敗的實驗就是失敗? 圖片來源:University of Chicago
邁克生(Albert A. Michelson)。失敗的實驗就是失敗? 圖片來源:University of Chicago

做實驗固然希望成功證明本身的假設和理論,但實驗失敗是否等於一無所得?邁克生—莫利實驗」就是經典的失敗實驗,這一大失敗卻提供有力的證據否定乙太(Luminiferous aetheraether)理論。邁克生於 1852 年12 月 19 日出生於普魯士斯切爾諾小鎮,但在 2 歲的時候已舉家移民美國,他則於 1907 年獲得諾貝爾物理學獎,成為首位得到該殊榮的美國人,這與他的「失敗實驗」不無關係。

在 19 世紀,物理學家普遍相信,像聲波需要空氣作為傳播媒介,水波也要水作為媒介,那麼光波和電磁波這類看不見又能移動的「波」,也應該要有傳播的媒介,他們假設這種物質的確存在,並稱之為「乙太」。不過,這種物質卻看不見,捉不到,乙太是否確實存在成為科學界的一大難題。

其時,物理學家已能計算出地球圍繞著太陽公轉的速度,約為秒速 30 公里。物理學家則猜想,假如地球真的是被乙太包圍,而地球又在高速移動(公轉),那麼地球就應該像行駛中的汽車般,能感受到與乙太相對移動而產生的「乙太風」。除非乙太是因某種原因而在地球表面靜止,否則從地球上發出的某一光源的速度,便應該會受乙太風的方向所影響。不過,由於地球的運動速率和方向時時也在變化,因此乙太相對於地球不可能一直保持靜止。他們最終認定,假如能測量出光線在不同方向的速度有所不同,便能證明乙太風存在。

根據乙太理論,不同路徑的光束應受「乙太風」所影響而成不同速度,影響最後的干涉圖案。
根據乙太理論,不同路徑的光束應受「乙太風」所影響而成不同速度,影響最後的干涉圖案。

不過光速本身實在太快了,高達每秒 30 萬公里,是地球移動速度的一萬倍,即使光線真的有受「乙太風」影響,也可預期這些差異將會是極之不明顯。邁克生(Albert A. Michelson)卻設計出一個方法,現稱之「干涉測量術」(interformeter)。他讓光束通過一塊半鍍銀的鏡子,光束於鏡子上將分成兩條光束,一條反射開去,另一條則穿過半鍍銀鏡;兩條光束另外再經鏡子反射,重疊回到同一的接收器。光波重疊會產生增加波幅的「建設性干涉」或抵消波幅的「破壞性干涉」,而任何微小的移動時間差異,都會造成不同的干涉圖案。

邁克生在 1881 年已着力進行初步的實驗,在得到克里夫蘭應用科學學院教職後,他與化學家莫利(Edward Morley)在這大難題再努力探究。他們把實驗儀器放在圓形的水銀槽上,讓其漂浮及可旋轉。根據乙太理論,兩條成直角的光線的速度會有所不同,然後影響產生的干涉圖案。然而,邁克生嘗試過在不同季節、時間、方位來進行實驗,得出的圖案改變結果都接近為零,每次都在誤差範圍以內,實驗以失敗告終。

圓形的水銀槽上的儀器。 圖片來源:Case Western Reserve University
圓形的水銀槽上的儀器。 圖片來源:Case Western Reserve University

不過,邁克生本人並未因此放棄「乙太理論」,不少科學家反而假設更多理論來解釋邁克生的實驗結果,例如像荷蘭物理學家勞侖茲(Hendrik A. Lorentz)便提出運動物體的長度會收縮,並且成功以計算論證和解釋(附會)實驗結果。後來也有許多科學家基於「邁克生—莫利」實驗,加以改良,例如現代的實驗使用高能量的激光和激微波(Maser),提高精確度,但都未得出地球公轉所應造成的「乙太風速」。

1905 年愛因斯坦以光速不變原理的假設上建立「狹義相對論」,完全拋棄乙太理論,不過「邁克生—莫利實驗」有多大程度啟發愛因斯坦放棄乙太理論仍有爭議。儘管如此,邁克生本人於 1907 年因「發明了精確的光學儀器,及對於光譜和計量學的貢獻」而獲得諾貝爾物理獎,「邁克生—莫利」實驗亦是首個具足夠準確度的實驗來挑戰乙太理論,體現「以否定作為肯定」的精神——失敗的另一面其實是大發現。