科学史上的唯一一次：一个“失败”的实验，获得了诺贝尔物理学奖

Answer 1

现在的我们都知道，光具有“波粒二象性”，也就是说光同时具备“波”和“粒子”的双重性质，然而光的“波粒二象性”是在20世纪初才被发现的，而在此之前，人们一直在为光到底是“波”还是“粒子”争论不休。

进入19世纪之后，“波动说”逐渐在这场争论中占据上风，越来越多的人相信，光其实就是一种“波”，根据当时的认知，“波”的传播是必须需要介质的，比如说声波需要在空气中传播，水波需要在水中传播，所以光作为一种“波”，也必然会通过一种介质来传播。

于是人们就将这种介质称为“以太”，根据设想，“以太”在宇宙中无处不在，所有的物质都在“以太”中运动，而光也是通过“以太”来传播。

到了19世纪后半叶，“以太”这种概念早已深入人心，几乎所有的人都相信“以太”必定存在，然而从科学的角度来看，只是“相信”是没有什么说服力的，于是在1881年的时候，物理学家迈克尔逊设计了一个巧妙的实验，并试图以此来证明“以太”的存在。

迈克尔逊认为，地球围绕太阳公转，其实就是在“以太”中穿行，在这种情况下，地球就会遇到与地球公转速度相等的“以太风”迎面吹来，而由于“以太”是光传播的介质，因此在“以太风”的影响下，在地球上向不同方向发射的光的速度就会存在着一定的差异。

根据这一思路，迈克尔逊设计了一台干涉仪，如上图所示，该干涉仪由一个光源（S）、一个分光镜（A）、两个反射镜（B和C）以及一个观测屏（T）组成，当它运行起来，就是以下这种效果。

可以看到，光从光源出发后，在经过分光镜时，会分成两束相互垂直的光，接下来，这两束光在走过完全相同的距离之后，会分别由反射镜B和C反射回来，然后经过分光镜投射到观测屏，这样就可以观测到这两束光的干涉条纹了。

迈克尔逊认为，由于这两束光相互垂直，它们相对于“以太”的速度肯定是不一样的，因此如果将干涉仪整体旋转90度，就可以让这两束光的速度“互换”，从而使原来的干涉条纹发生位移，只要在实验中发现了这种现象，就可以证明“以太”的存在。

（图为迈克尔逊干涉仪复原模型）

然而迈克尔逊的实验却失败了，无论他怎么捣鼓这台干涉仪，都没有发现期待中的现象。

实验的失败，是不是因为干涉仪的精度不够呢？于是在接下来的大约6年的时间里，迈克尔逊和另一位物理学家爱德华·莫雷一起设计了一个精度更高的干涉仪（相比最初的那一台，其精度整整提高了10倍），并于1887年进行了著名的“迈克尔逊-莫雷实验”。

“遗憾”的是，此次经过长时间精心准备的实验依然以失败告终，这就意味着，光速在不同惯性系以及不同方向上都是相同的，而人们之前所坚信的“以太”，很可能并不存在。

“迈克尔逊-莫雷实验”的实验结果令当时的科学界大为震动，人们在不同的地点和时间进行了大量的重复实验，精度也在不断提升，然而都得到了相同的实验结果。在此之后，虽然人们在“以太”的基础上对此提出了多种解释，但是都不足以令人信服。

爱因斯坦在1905年指出，既然光速在不同惯性系以及不同方向上都是相同的，那么“以太”就没理由存在，于是他就在以“光速不变原理”为基本假设的基础上，建立了著名的狭义相对论，从此开启了物理学的新篇章。

1907年，迈克尔逊获得了诺贝尔物理学奖，他获奖的主要原因就是“迈克尔逊-莫雷实验”，而这个实验也成为了科学史上的唯一一个，因为“失败”而获得诺贝尔物理学奖的实验。