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摘要：回看历史，我们关注最多的是那些在科学史上取得成功的人物、实验和理论，这些成功让我们掌握和理解了一些事物的新现象、新规律和对宇宙的新认识，但科学的进步并非一蹴而就，而是从无数的失败中一步步走出来的。
回看历史，我们关注最多的是那些在科学史上取得成功的人物、实验和理论，这些成功让我们掌握和理解了一些事物的新现象、新规律和对宇宙的新认识，但科学的进步并非一蹴而就，而是从无数的失败中一步步走出来的。甚至有些失败的实验更是直接促进了科学的发展，我们今天就回到19世纪后半叶，了解一个在人类科学进程中著名的「 ”失败”实验，这个实验的失败直接导致了量子力学和狭义相对论的研究热潮。 对光的理解，牛顿「 ”微粒说” 在四大基本力中，万有引力是第一个被人类发现和描述的力，正如牛顿在17世纪提出的万有引力定律，解释了地球上和太阳系内天体的运动。几十年后，也就是1704年，牛顿对光的本质也提出了自己的看法，就是我们熟知的微粒说，该理论认为光是由「 ”粒子”组成的，但是这个「 ”粒子”并不是我们现在认为的粒子，它是刚性粒子，是物质的微小颗粒，它们沿着直线运动。 微粒说解释了许多当时已经观察到的现象，包括白光是所有其他颜色光的组合。但随着时间的推移，许多实验也揭示了光的波动性质，牛顿的同时代人克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)提出了另一种解释。（其实光的波动现象我们日常生活中有一个小实验就可以观察到，拿一张纸放在阳光下，我们很明显就能看到纸影子的边缘呈现出模糊状，这是微粒说无法解释的现象。） 惠更斯的波动说 在1678年，惠更斯在法国科学院发表演讲公开反对牛顿的微粒说，他认为每一个光源点发出的光，包括向前移动的光，都表现得像一个波，每一个光波都有一个球形波阵面。惠更斯反对牛顿的观点是：如果认为光是一种微粒，那么两条光线在交叉的时候就会发生碰撞，从而改变方向，但是生活中我们并没有观察到这个现象。 由于当时的很多实验不论是通过微粒说还是惠更斯原理都能得出同样的实验结果，在加上当时牛顿在科学界的地位和形象是无人能撼动的，惠更斯也没有活过牛顿，所以波动说也就夭折了。 微粒说也就顺势延续一个多世纪，在1799年的进行的一个实验终于让波动说起死回生。 科学家们将白光中不同颜色的光分离出来，使其通过单缝、双缝或衍射光栅，观察到了只有波才能产生的图案。这些图案中有波峰有波谷，这让人们立刻联想到了众所周知的波浪，比如水波。这个实验就是著名的杨氏双缝干涉，是由著名的富二代科学家托马斯·杨完成的，这个实验也一举奠定了光的波动说。 光传播的介质「 ”以太” 当时人们知道，水波是以水为介质传播的。如果没有水，就不会有浪! 所有已知的波都是如此:声音是通过压缩空气和震动传播的，也同样需要介质才能通过。如果拿走所有的物质，声音没有传播的媒介，因此当时人们就说:「 ”把你扔进太空，是没有人能听见你尖叫的。”那么光波呢？ 在19世纪60年代麦克斯韦更是凭借自己非凡的数学能力算出了光是一种电磁波，那既然都是波，人们相信一定存在一种物质来作为光波传播的媒介。当时没有人能测量这种介质，也没有人知道它是什么，但人们坚信它的存在就起了个名字叫:以太。 现在是不是觉得当时的人们完全是在胡乱猜测，没有科学的严谨性？不是的，其实我们现在也这么干，例如：暗物质。事实上，这正是体现了科学思想的所有特征，不管是以太、还是暗物质都是建立在先前已有的科学基础之上，唯一的区别就是我们对以太提出了检测它是否存在的办法。 历史上最著名的「 ”失败”实验 道理其实很简单，想象一下，你把一块石头扔进上图汹涌的河里，如果水流不动那么激起的波浪，将以特定的速度移动。 如果水流向下游移动，因为承载波浪的介质在移动，所以顺着水流的波浪会移动的更快。逆流的波浪会移动的更慢。 虽然人们从未被发现或检测到以太，但阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊(Albert A. Michelson)将同样的原理应用于光波在以太中穿行，并设计了一项巧妙的实验。 上图我们可以看到地球在轨道上的一些情况，以太是绝对静止空间的框架，独立于物质而存在，所以我们地球在轨道上运动时，会迎面吹来相同速度的「 ”以太风”，但是如果以太作为光在真空中传播的媒介的话，我们就可以想象以下上文中河流扔时候的情形。 原则上，如果我们测量地球在公转轨道上「 ”上行”、「 ”下行”或垂直于以太时，光的移动速度是否有变化，我们就可以探测到以太是否存在，但是，光速大约是每秒30万公里/秒，而地球的轨道速度只有30公里/秒，这在19世纪80年代还无法测量这个微小的差别。 但迈克尔逊设计了一个妙计实验。 1881年，迈克尔逊发明并设计了一台干涉仪。干涉仪的设计基础是:光是由波构成的，自身会发生干涉现象。如果取一个光波，把光分成两个互相垂直的分量(两束光相对于以太的运动是不同的)，让两束光走完全相同的距离，然后反射回来，我们就会观察到两束光产生的干涉图样是否有位移! 下图中，如果整个装置相对于以太是静止的（不可能静止），它们产生的干涉图样就不会发生位移，但是如果整个装置向一个方向移动的幅度比另一个方向大，干涉图样就会发生位移。 地球除了在以太中穿行，而且还在自转，旋转的地球会以不同的角度朝向以太，所以迈克尔逊在一天中进行了多次实验。最初的设计无法探测到任何干涉条纹的位移，这就初步说明了实验失败。 但最初的干涉仪臂长只有1.2米，精度受到质疑，实验结果并不足以让人们信服。在接下来的六年里，迈克尔逊和爱德华·莫雷一起设计了一个10倍大(也就是10倍精确)的干涉仪，他们两人在1887年进行著名的迈克尔逊-莫雷实验。他们预计全天会有多达0.4条条纹移动。下图是1887年的原始结果! 这个无效的结果，证明了以太并不存在，没有什么以太风，也没有光传播的介质，这个0发现实际上是现代科学的一个巨大进步，因为它意味着光与我们所知的其他波有本质的区别。这也证明了光速在不同惯性系和方向上都是相同的，也直接撼动了经典物理学的绝对时空观，为狭义相对论的诞生提供了一个最基本的原理，光速为什么恒定？18年后，爱因斯坦的狭义相对论出现时，也顺带解决了这个问题。 迈克尔逊-莫雷实验的研究成果在科学史上具有革命性的意义，这个实验也是历史上唯一一个因为没有任何发现而获得诺贝尔奖的实验。
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