大雄的宇宙开拓史，深扒迈克尔逊-莫雷实验的验证作用与局限性

为何核聚变到铁元素就停止了？那些重元素是怎么来的？

宇宙中高于铁的元素，可以是大质量恒星在演化末期，通过中子俘获过程形成；或者在双中子星合并事件中，也能大量形成。我们地球上的元素非常丰富，从1号氢元素到92号铀元素都有，铀是自然界中大量存在的最重元素；大于92号的叫做超铀元素，只有几种在自然界中微量存在

　　在马赫提出相对性原理之前，人们一直以为空间是平直和唯一的，是不受物质影响的。好比，在古希腊时期和中世纪，地心说占有主导地位。该学说以为，空间是平直的，地球相对于空间是静止的，并位于空间的中央，其他天体围绕着地球做圆周运动。这种看法延续了1000多年，直到16世纪哥白尼《天体运行论》的出书，才使日心说逐渐地取代了地心说。不外，凭据日心说，空间也是平直的，太阳相对于空间是静止的，太阳位于空间的中央，其他天体围绕着太阳做圆周运动。约一个世纪以后，集经典力学之大成的牛顿，不仅继续了空间是平直和唯一的看法，而且还进一步地提出，空间是完全独立于所有物质之外的，由此赋予了空间绝对性，使空间凌驾于物质之上。 　　马赫从实证主义哲学出发，对上述看法提出了异议。他以为，
空间并不是抽象的几何空间，而是与物质密切相关的真实物理空间。以是，空间是随物质的漫衍而漫衍的，空间只具有相对性。由此提出了一种新的看法，即空间的状态不再是平直和唯一的。
　　关于空间的状态事实是绝对唯一的照样相对转变的争论，对照好地反映在著名的水桶实验中。所谓水桶实验是指，当水桶旋转时，桶内的水并不会马上随之转动，此时水面是平的；当桶内的水因摩擦力而逐渐随木桶同步旋转时，水面就会因离心力的作用发生凹面。牛顿对此实验的注释是，水只有在相对于空间旋转时才会发生力的作用，说明空间的状态是唯一和稳定的。对此，马赫争辩道，若是水桶壁不停地增厚并到达一定的厚度时，水面就会因水相对于水桶壁的运动发生凹面。也就是说，作为水的空间，虽然能够因相对于水的运动发生力，但水的空间状态并不是唯一和稳定的，并不局限于水桶壁或其他物质，而是取决于哪一个物质最大。当水桶壁无限厚时，水的空间状态与水桶的运动状态相一致；反之，水的空间状态就与其他大物质的运动状态相同。 　　通过对水桶实验做出的差别于牛顿的注释，马赫强调的是空间状态的相对性，空间的状态由大物质的状态所决议，其状态相对于大物质是静止的。以是，凭据马赫的相对性原理，空间和物质是相关的。一方面，空间的漫衍取决于物质的漫衍；而另一方面，物质的运动又会受到空间的影响和约束。 　　虽然，在那时对于空间的状态事实是绝对的照样相对的争论并没有得出最终的效果，但这两种看法在本质上却并没有人们想象得那么对立。现实上，牛顿的绝对空间是马赫相对空间的一个特例，或者说是相对空间的一种极端的情形，即任何单一的物体，其质量与距离之比（M/r）都远小于所有物质的质量与距离之比的总和（∑Mi/ri）。其数学表达式为 　　(M/r) / (∑Mi/ri) ≪ 1
　　以是，
牛顿的绝对空间是马赫的相对空间在空间的物质密度对照大时的一种极限情形。在现实天下中，由于任何绝对的极端情形都是不存在的，现实情形是介于两个极端之间。于是，由空间是否具有绝对性的问题转化为另一个新问题，即单个物质对其周边的空间影响有多大？在现实天下中，详细的物质事实是在空间裸行，照样拖着局部空间运动？若是我们用拖拽系数k来作为与空间相关的参量，当 k = 1 时，示意该物质拖着局部空间运动，属于马赫的相对空间；反之，当 k = 0 时，则解释该物质在空间裸行，属于牛顿的绝对空间。于是，以地球为例，其外面的k事实为何值，就成为那时争论和关注的焦点。 　　由于光线在空间是以一个恒定的速率运动的，以是可以通过丈量光速是否发生转变来确定k值，以此来判断空间事实属于哪一种情形。于是，人们很自然地提出了这样一个问题，即是否会由于地球的运动而使地球外面上的光速发生转变呢？ 若是谜底是一定的，说明地球没有拖拽空间，属于牛顿的绝对空间；反之，若是谜底是否认的，则说明地球确实拖拽了局部空间，属于马赫的相对空间。 　　在19世纪80年代，迈克尔逊和莫雷在地球外面上举行了光的过问实验，考察是否会因地球绕太阳的公转和地球以24小时为周期的自转，使其外面上的两束相互垂直运动的光线，在运动速率上发生差别的转变，进而引起过问条纹的移动，如图1所示。
　　图1 迈克尔逊-莫雷实验 　　单色光从光源S发出，经由一块半镀银的玻璃片M，将同一光源的光分成为偏向差别的两束光。其中，一束光穿过M向右运行，然后被反射镜M1反射后折回M，再被M反射进入望远镜T；另一束光则被M反射后向上运行，然后被M2反射回来，再透过M也进入T。整个装置漂浮在一个水银槽上，以制止外界对实验装置的振动。由于地球的自转使光束的偏向与地球围绕太阳举行公转运动的偏向不一致，总是处于不停的转变之中，而且实验装置的两个臂长也并不严格地相等，因此，若是泛起了以24小时为周期的条纹移动，就说明地球在空间裸行，不存在对空间的拖拽，地球相对于空间的运动是绝对的；反之，若是没有周期性条纹的移动，则意味着地球拖拽着局部空间运动，地球和空间是相对静止的。 　　实验的效果是后者，没有考察到任何周期性的条纹转变。这说明地球外面的空间与地球同步，由此马赫关于空间具有相对性的看法被以为是准确的。为了进一步验证物质的漫衍决议空间的漫衍这一看法，迈克尔逊和莫雷将他们的实验搬到高山上，期望因远离地球外面使该点的空间不再完全与地球同步，从而观测到过问条纹的移动。由于地球不可能携带整个空间运动，以是在距离地球外面较远的空间，会由于地球的运动发生以太风。然而，出乎意料的是，他们仍然没有观测到过问条纹的周期性转变。于是，关于空间的这两种看法都陷入了逆境。凭据迈克尔逊-莫雷实验，空间既不是平直与唯一的，又不是随物质的漫衍而漫衍的。
　　为了脱节这一逆境，爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论。他以为，光相对于任何一个参照系都是以速率c运动的，这种看法既否认了优越参照系（绝对空间）的存在，又否认了空间随物质的漫衍而漫衍。现实上，

天文学家炮轰马斯克的“星链”网络 永久性污染夜空

SpaceX公司计划发射1.2万颗卫星，组成所谓的“星链”网络。5月23日，“星链”计划的首批60颗卫星搭乘猎鹰9型火箭发射升空。这个卫星网络旨在提供天基互联网服务，让地球上的每一个角落都能接入宽带。但令天文学家感到担忧的是，“星链”的所有卫星都处在低轨道

这种看法是以抽掉空间的真实物理意义为价值，来脱节因赋予空间具有真实的物理意义所带来的逆境。 　　爱因斯坦的狭义相对论是建立在光速稳定原理和相对性原理之上的。
凭据狭义相对论，任何参照系都是平权的，每一个参照系的k值在任何情形下都是绝对即是1的。由此，狭义相对论完全放弃了牛顿的绝对空间和马赫的相对空间，并能很好地与迈克尔逊-莫雷实验相吻合，即在任何情形下都不可能丈量到相对于空间的绝对运动，形象地说就是不存在以太风。以是，在实验中没有考察到周期性的条纹移动。美中不足的是，
由于所有参照系的k值都即是1，于是在任何一点的空间聚集都是无穷大。这违反了自然哲学第二定律即凡详细的都是有限的，从而将空间的真实物理意义连同以太一起甩掉了。正是由于这一点，那时有许多物理学家对狭义相对论持嫌疑的态度，即便是爱因斯坦本人也因该理论没有与引力和非惯性系相联系而感应不满。 　　几年之后，爱因斯坦将惯性质量即是引力质量这一众所周知的征象提升为普适的原理，并在此基础上创立了广义相对论，
用引力场的观点填补空间的物理观点。由此，爱因斯坦预言，当光线在空间穿行时，该空间因物质的存在形成一种特殊的漫衍即发生引力场，使该光线不再直线运动，从而发生光线弯曲征象。 　　于是，广义相对论使关于空间的熟悉再次回到了马赫关于空间随物质的漫衍而漫衍的看法上来了。凭据广义相对论，物质可以使空间变形发生引力场，引力场又会反过来对物质的运动发生影响。凭据现代物理学，我们已经确切地知道，物质总共有四种相互作用力，除万有引力之外另有电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。
虽然，这些力的发生条件和表现形式有很大的差异，但在本质上，它们都是在一定的条件下和在一定的局限内，使空间发生某种特殊的漫衍，进而反过来又会对物质的存在发生一定的影响，由此体现出种种力的归一性。空间在我们研究自然界的历程中和在我们现实的物理天下中，都是不可或缺的，它一方面在形态上与物质形态相对立，而另一方面却又可以与物质相互影响、相互渗透和相互转化。空间和物质配合构成了一个有机天下。 　　在广义相对论中，由于爱因斯坦重新赋予了空间真实的物理意义，以是迈克尔逊-莫雷实验的老问题又随之展现了出来。于是，我们需要重新审阅迈克尔逊-莫雷实验。
在该实验的设计中，简直忽视了一个重要因素，即光源对光速的影响。
　　凭据自然哲学第二定律——凡详细的都是有限的，由于光子和光速都是真实而详细的，且光子是有质量的，以是光子在脱离光源后，若是光源和空间是相对运动的，光子的加速率又不可能为无穷大，因而存在着一个由光子相对于光源以速率c运动，转换为光子相对于空间以速率c运动的转变历程。对于这一转变历程，我们可以用光速的
半变换距离Rc来形貌， 并以指数的形式发生现实的变换。所谓半变换距离就是当光子行至该距离时其遵守光源和空间的状态各占50%。 由于光子的自由程为cτ20/τ，半变换距离需要碰撞的次数是τ0/τ，以是光的半变换距离为上述两者的乘积，即 　　Rc = （τ30/τ2）× c ≈ 106 cm 　　其中，Rc为光子的半变换距离；τ0为基态量子的弛豫时间，可以由宇宙的靠山辐射温度T0换算出来；τ为光子的弛豫时间；c为光速。于是，光速的变换率（η）为 　　η = 1 – e-r/Rc = 1 – e-rτ2/cτ30 　　其中，r为光子的现实流传距离，只有当光子的流传距离远大于光子的半变换距离时，该光子才会相对于空间以速率c运动。 　　从上述公式中我们看到，
由于半变换距离的存在，光子遵守空间的变换存在着滞后效应。光子的能量越大，光子的惯性运动就越大，其需要转变为相对于空间以速率c运动的距离就越长。好比，X射线的半变换距离要比可见光子的半变换距离长得多。反之，空间的能量越大，解释空间的效应就越大，则光子的变换距离就越短。
　　类似光速变换具有滞后性的例子，在一样平常生涯中是很常见的。好比，一个中国人到美国生涯，并不是一踏入美国国界就马上成为具有美国文化和思想意识的美国人。由中国人转变为美国人是需要时间的，
相对于进入国界这一行动来说，其思想意识的转变有一个滞后期，存在着一个详细的转变历程。这个转变历程的是非，与该中国人的岁数及其与美国人的接触水平等直接相关。有些小孩通过在学校与当地孩子接触和接受教育，很快就本土化了；而一些老华侨一直生涯在唐人街，几十年过去了，其思想意识仍然停留在中国传统的文化之中。 　　迈克尔逊-莫雷实验的丈量长度只有1m，其所用光线的半变换距离凭据盘算大于1000m，该实验的误差局限为10-2 数量级。以是，迈克尔逊-莫雷实验无论是在地球外面上照样在高山上，都无法丈量出空间的漫衍和转变。由于，
由于光速变换的滞后，在1m的局限内光子来不及遵守空间变换，只相对于光源（地球）以速率c运动，与空间的详细状态无关。这就犹如我们不能期望，在美国举行数天接见的人，其头脑方式一下子就完全美国化了。若是我们将迈克尔逊-莫雷实验加以变化，使该实验的长度跨越1000m，就有可能考察到光子受空间的影响，使过问条纹呈现出周期性的转变。由于凭据盘算， 地球的质量与地球的半径之比，远小于其他天体的质量与各个天体到地球的距离之比的聚集。以是，地球并不拖拽空间，属于牛顿的绝对空间。反之，遥远的天体发出的光，其流传的距离远大于半变换距离。因此，星光由最初相对于光源以速率c运动转变为相对于空间以速率c运动。在这一转变历程中，为了保持能量的守恒，光子的部门势能转变为动能，表现为星光的红移征象，这就是光的运动红移。 　　固然，若是将迈克尔逊-莫雷实验扩展到1000米以上是对照难题的。对此，我们可以改良该实验，将该实验简化为以下的装置。如图2。
　　在图2中，A为激光器，B为约1cm厚的玻璃（或棱镜），C为反光镜，D为吸收光线的屏幕，A到B的距离至少大于1000m。当光的流传距离大于光速的半变换距离时，光速遵守空间的变换，相对于运动的光源（地球）存在着速率的叠加，而速率的转变会使光通过玻璃的折射率发生响应的改变。于是，光斑e在屏幕D上的位置会随着地球的自转做周期性的运动，而狭义相对论要求光斑是牢固稳定的。为了剔除其他因素如空气和温度的滋扰，我们可以同时另做一个对比实验。该实验的其他条件都是稳定的，只是A′和B′间的距离缩短至1m。若是两个光斑之间的距离ee′及其角度存在着24小时周期性的转变，就说明光速确实会随着流传距离的增大而发生改变。 　　总之，
迈克尔逊-莫雷实验是为了磨练地球相对于作为物理靠山的空间是否存在绝对运动即是否存在具有物理意义的运动或是否存在作为物理靠山的空间。迈克尔逊-莫雷实验的
局限性则在于，其实验的局限太小，最多只有数米长。在云云短的局限内，光子来不及因受到空间的影响而改变其运动的速率以保持速率相对于空间的稳定性。由于，光速是光子维持其相对于空间势能的速率。光子只有通过与空间量子的现实碰撞才能够感受到量子空间的存在，并调整速率以保持其相对于空间的势能。