在物理学的历史上，"光速不变"这一概念的提出，标志着科学界对自然法则的深刻洞察。那么，光速究竟为何如此重要？又是谁首次揭示了这一理论的真相呢？本文将为你揭开“光速不变”背后的历史故事，尤其聚焦于一项具有划时代意义的实验——1887年的“迈克尔逊-莫雷实验”（Michelson-Morley Experiment）。
光速不变的意义
在我们理解“光速不变”这一理论之前，首先要搞清楚一个基础问题：光速是多少？而更为复杂的问题是：如何准确测量出光速？测量光速看似简单，实则是一项极具挑战性的技术任务。为何呢？因为光速实在是太快了！光的速度快到什么程度？它每秒钟能绕地球赤道七圈半！这简直让人难以想象。
如果你对光速的测量历史感兴趣，可以查阅我此前关于“光速测量”的文章，文中详细介绍了各个历史时刻，许多著名实验的进展，其中包括迈克尔逊在测量光速方面的重要贡献——采用了棱镜法。
但今天我们要讲的，是迈克尔逊和莫雷所做的另一项更加复杂且具有深远意义的实验：通过“光的干涉”原理，他们试图精准测量光速是否发生变化，从而间接计算出地球在“以太”中漂移的速度。
迈克尔逊-莫雷实验的起源
迈克尔逊和莫雷之所以要开展这个实验，源于当时物理学界普遍接受的“以太理论”。科学家们认为，光和电磁波的传播需要依赖一种看不见的物质介质——以太。简而言之，这个“以太”被认为是一个无形的介质，充满了整个宇宙，是光传播的载体。
那么，怎样验证这种假设呢？科学家们决定通过测量地球在“以太”中的运动速度，也就是所谓的“以太漂移速度”，来测试这一理论。由于地球围绕太阳公转的速度大约为每秒30公里，这个速度相对于光速来说不算小（大约是光速的万分之一）。迈克尔逊认为，若地球在“以太”中存在漂移，那么光速应该会受到影响，表现为不同的测量结果。
于是，迈克尔逊开始着手设计实验，打算通过光的干涉现象来探测这种变化。他准备了一个复杂的装置——迈克尔逊干涉仪，通过精密测量光速的变化，来计算地球相对于“以太”的漂移速度。这就是著名的“迈克尔逊-莫雷实验”的雏形。
实验原理与步骤
仪器原理
迈克尔逊干涉仪的工作原理基于光的干涉效应。简单来说，干涉现象是指两束光相遇时会互相影响，产生加强或抵消的效果。在这个实验中，迈克尔逊设计了一个分光玻璃片，可以将光源发出的光分成两束，一束直行，另一束反射，然后再通过镜面反射，最后在接收器处重新汇聚成一束。
实验中，光经过的路径不同，最终会在接收器处形成干涉条纹。若光速发生变化，那么这些条纹就会发生偏移，偏移的大小可以用来推算光速变化的程度。
实验设计
在实验开始时，迈克尔逊将这个仪器放置在可移动的平台上，并使平台朝某个方向以速度v运动。假设光速是c，光束在水平方向上的传播速度就会受到影响。若光束的传播方向与平台的运动方向相同，则光速为“c+v”；若光束的传播方向与平台运动方向相反，则光速为“c-v”。在竖直方向上，光速仍然为c。
通过对比这两束光所经历的时间差，可以计算出光速是否发生变化，从而推算出地球在“以太”中的漂移速度。
数据分析
实验采用的光波长为500纳米，假设地球的速度为每秒30公里（即光速的万分之一），而仪器的半径R为1米。那么，根据光程差的计算，干涉条纹应该会有明显的位移，大约是波长的4%。这意味着我们可以在仪器上清楚看到条纹的移动。
令迈克尔逊吃惊的是，在1881年的实验中，结果远不如预期。尽管他仔细测量了所有数据，却发现干涉条纹几乎没有发生位移，且条纹的变化与地球运动的方向和速度并没有固定的关系。这让他不得不做出一个大胆的结论：干涉条纹没有发生位移，意味着静止的以太假说是错误的。
迈克尔逊-莫雷实验的突破
虽然1881年的实验结果出乎意料，但迈克尔逊并未放弃。1887年，迈克尔逊和莫雷携手进行了更为精密的实验，设备的精度提高了十倍，实验仪器的长度也增加到61米。结果依旧没有发生任何改变——干涉条纹依然没有移动。
迈克尔逊深知，这一实验结果的意义非凡。无论是从实验的精确度，还是从结果的可靠性来看，都强烈暗示着光速是恒定不变的，这一发现对当时的物理学界产生了巨大的冲击。事实上，迈克尔逊-莫雷实验的“零结果”不仅挑战了以太理论，更为爱因斯坦的狭义相对论奠定了实验基础。
后来的影响
迈克尔逊-莫雷实验不仅否定了以太的存在，还在科学界引起了广泛的讨论。迈克尔逊虽然始终致力于寻找以太漂移的证据，但他始终没有违背实验结果，反而尊重实验数据。最终，他在1929年正式宣布：“没有发现绝对速度，以太并不存在。”这一结论为爱因斯坦的相对论理论提供了重要的理论支持，推动了现代物理学的飞跃发展。
在许多年后，爱因斯坦曾亲自对迈克尔逊说过：“您当年进行的实验，给了物理学家们新的视野，您的发现促使了洛伦兹的思考，为相对论的诞生奠定了基础。没有您的实验，相对论可能只是一个有趣的猜测。”事实上，正是迈克尔逊-莫雷实验的“零结果”让科学家们意识到，光速的不变性是自然界的一条基本定律，这为爱因斯坦最终提出相对论提供了必要的理论支撑。
迈克尔逊-莫雷实验的意义在于，它不仅否定了“以太说”，而且为现代物理学的性突破打下了坚实的基础。今天的我们在回顾这段历史时，依然能从中感受到科学探索的力量和勇气。没有迈克尔逊-莫雷实验，或许相对论依旧是一个遥不可及的梦想。而正是这种坚持和对实验真相的尊重，最终推动了物理学的发展，揭示了光速不变的奥秘。