科學史上的唯一一次: 一個“失敗”的實驗, 獲得了諾貝爾物理學獎

科學是人類文明進步的重要推動力，但科學的發展卻並不是一帆風順，在人類的科學史上，充斥著大量的失敗，有意思的是，在這些“失敗”之中，有一些也促進了科學的進步，比如說“邁克爾遜-莫雷實驗”就是一個典型的例子。

人類科學史上的唯一一次：一個“失敗”的實驗，獲得了

諾貝爾物理學獎

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現在的我們都知道，光具有“波粒二象性”，也就是說光同時具備“波”和“粒子”的雙重性質，然而光的“波粒二象性”是在20世紀初才被發現的，而在此之前，人們一直在為光到底是“波”還是“粒子”爭論不休。

進入19世紀之後，“波動說”逐漸在這場爭論中佔據上風，越來越多的人相信，光其實就是一種“波”，根據當時的認知，“波”的傳播是必須需要介質的，比如說聲波需要在空氣中傳播，水波需要在水中傳播，所以光作為一種“波”，也必然會透過一種介質來傳播。

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於是人們就將這種介質稱為“以太”，根據設想，“以太”在宇宙中無處不在，所有的物質都在“以太”中運動，而光也是透過“以太”來傳播。

到了19世紀後半葉，“以太”這種概念早已深入人心，幾乎所有的人都相信“以太”必定存在，然而從科學的角度來看，只是“相信”是沒有什麼說服力的，於是在1881年的時候，物理學家邁克爾遜設計了一個巧妙的實驗，並試圖以此來證明“以太”的存在。

邁克爾遜認為，地球圍繞太陽公轉，其實就是在“以太”中穿行，在這種情況下，地球就會遇到與地球公轉速度相等的“以太風”迎面吹來，而由於“以太”是光傳播的介質，因此在“以太風”的影響下，在地球上向不同方向發射的光的速度就會存在著一定的差異。

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根據這一思路，邁克爾遜設計了一臺干涉儀，如上圖所示，該干涉儀由一個光源（S）、一個分光鏡（A）、兩個反射鏡（B和C）以及一個觀測屏（T）組成，當它執行起來，就是以下這種效果。

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可以看到，光從光源出發後，在經過分光鏡時，會分成兩束相互垂直的光，接下來，這兩束光在走過完全相同的距離之後，會分別由反射鏡B和C反射回來，然後經過分光鏡投射到觀測屏，這樣就可以觀測到這兩束光的干涉條紋了。

（注：當兩束相同頻率的光波相遇時，會根據相位的不同而出現光強增強或者減弱的現象，從而產生明暗相間的條紋，這就是干涉條紋）

邁克爾遜認為，由於這兩束光相互垂直，它們相對於“以太”的速度肯定是不一樣的，因此如果將干涉儀整體旋轉90度，就可以讓這兩束光的速度“互換”，從而使原來的干涉條紋發生位移，只要在實驗中發現了這種現象，就可以證明“以太”的存在。

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（圖為邁克爾遜干涉儀復原模型）

然而邁克爾遜的實驗卻失敗了，無論他怎麼搗鼓這臺干涉儀，都沒有發現期待中的現象。

實驗的失敗，是不是因為干涉儀的精度不夠呢？於是在接下來的大約6年的時間裡，邁克爾遜和另一位物理學家愛德華·莫雷一起設計了一個精度更高的干涉儀（相比最初的那一臺，其精度整整提高了10倍），並於1887年進行了著名的“邁克爾遜-莫雷實驗”。

“遺憾”的是，此次經過長時間精心準備的實驗依然以失敗告終，這就意味著，光速在不同慣性系以及不同方向上都是相同的，而人們之前所堅信的“以太”，很可能並不存在。

“邁克爾遜-莫雷實驗”的實驗結果令當時的科學界大為震動，人們在不同的地點和時間進行了大量的重複實驗，精度也在不斷提升，然而都得到了相同的實驗結果。在此之後，雖然人們在“以太”的基礎上對此提出了多種解釋，但是都不足以令人信服。

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愛因斯坦在1905年指出，既然光速在不同慣性系以及不同方向上都是相同的，那麼“以太”就沒理由存在，於是他就在以“光速不變原理”為基本假設的基礎上，建立了著名的狹義相對論，從此開啟了物理學的新篇章。

1907年，邁克爾遜獲得了諾貝爾物理學獎，他獲獎的主要原因就是“邁克爾遜-莫雷實驗”，而這個實驗也成為了科學史上的唯一一個，因為“失敗”而獲得諾貝爾物理學獎的實驗。

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