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图6 干涉仪的示意图。
分光镜把激光分成两束,每一束都被一片平面镜反射回来,并在交叉点干涉,干涉结果最后被导入探测器
迈克尔逊-莫雷实验得到的数据为零,也就是说,他们没有观测到光速在两个不同方向上有任何差别。
对当时的很多科学家来说,这个结果出乎意料,因为他们都认为地球与以太存在相对运动。
如果光是以太中的波,那么仅在相对以太静止的实验室中,光速才与光的方向无关。
而地球并非如此,它绕着太阳以大约每秒30000米的速度公转。
就这样,迈克尔逊和莫雷的实验被当成否定以太存在以及确定光速运动与方向无关的重要证据。
它对爱因斯坦的理论至关重要。
20世纪60年代,弗农·休斯(VernonHughes)与罗纳德·德雷弗(RonaldDrever)各自独立进行实验,证明了质量和物体运动方向无关。
他们的实验利用了锂原子中围绕原子核以大约百万米每秒速度运动的电子。
因为这些电子质量很小,所以它们之间的引力相互作用极其微弱。
不过,他们还是想出了能精密测量质量和运动方向相关程度的方法。
具体做法是利用电子改变能级的时候释放的光子。
这些光子频率非常特殊,而具有这些频率的光也被称为跃迁谱线(transitionlines)。
如果电子质量和它们的运动方向有关,那么跃迁谱线的位置也将和运动方向有关。
休斯和德雷弗通过仔细研究,十分精确地证实了电子质量和电子的运动方向无关。
现在让我们回到自由落体的普遍性。
回忆一下,伽利略提出,所有下落物体的加速度都一致。
伽利略的实验尽管史无前例,但可能并不十分精确(以现代人的眼光来看)。
因此,考虑到自由落体的普遍性在牛顿和爱因斯坦的理论中都十分重要,一直以来人们都十分努力地在尽量高的精确度下验证它。
现在,它已经在不同的环境下得到了证实,
包括大量的室内实验和空间观测。
图7 厄特沃什的扭秤实验图解。
两个物体由不同的材料组成,如果它们下落加速度不同,那么细棍将绕着细丝转动
厄特沃什以十亿分之一的精确度发现两个物体下落的加速度完全一致。
这是伽利略实验的一个极其精确的加强版。
19世纪后,这一类型的实验精确度变得更高。
普林斯顿大学、华盛顿大学和莫斯科大学的研究组把实验精确度提高到了万亿分之一。
这一精确度上的巨大进步得益于现代实验可以在真空中操作,以及科学家们考虑了太阳和地球对实验器材的引力的综合效应。
目前限制精确度的因素还剩下地层变动造成的微小震动和其他邻近物体的引力(甚至包括实验仪器本身的引力!)。
人们已经开始考虑在太空中进行实验,以便进一步提高实验精确度。
另一种方法是把地球和月亮当成两个自由下落的物体,然后探测它们的加速度。
这个想法于1969年实现,当时阿波罗11号在月球上放了一台反射器。
用这台反射器反射来自地球的激光,从而测量地月距离,其大小可以精确到厘米。
从这些数据中,人们同样以误差小于十亿分之一的精确度证实了自由下落的普遍性。
虽然这一实验的精确度并没有高于室内实验,但它的风格略有不同,因为我们看到的是地球和月亮之间引力场的效应,因为这个引力场相当强,因此它们提供了验证这一理论的“更强”
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