一个可能最终确定以太存在与否的实验

（广西华智产业股份公司，广西 南宁 530029）

1 引言

有一年我去探望父母，在亲人们团坐拉家常时，我母亲讲了我小时候的一个故事。那时我五六岁，母亲让我去打酱油，交给我瓶子，还在两只小手里各放了一毛钱，说，这一毛是打酱油的，这一毛是给你的。我高高兴兴地去了，可过了好长时间也不见回来。母亲担心，就出去找，出了门拐了一个弯，就看见我站在另一栋房子的屋檐下发呆，手中的瓶子是空的。母亲问，怎么没打酱油？怎么不回家？我苦恼而迷茫地回答说，打酱油的那一毛钱……丢了！

我真的一点也记不得我竟有如此精彩的童年！

过了几年，母亲又拿这事调侃我。我问，您看见我当时的眼睛是怎样的？母亲笑着说，眼睛是直的，半望着天。我说，妈妈，这您就不明白了，其实我那时正在考虑解决方案，只不过您出现时还没想好而已！

人是很有趣的，对吧？在很小时就开始有他自己的想法，还可能在那些想法的支配下发生一些后来看起来可乐之极的行为艺术。

人类作为一个整体，也如一个人一样，有其成长的历史，也会有某种想法在一段时间内占据他的头脑，像从前的“地球中心论”之类，以及现在的“不存在以太”之类。勤于思考的我们，难免会在一个月明星稠之夜，或于一次登高望远之中，突然撒开思想的缰绳，让意识狂跳起来，跳到某座历史的高峰，再来回望我们的这个“不存在以太”时代，也许就像我们现在回望“地球中心论”的时代一样。

2 “不存在以太”的铁门并不严密

自古到今，出现过形形色色的“以太”理论，各人心中的以太都存在着差别。为明白起见，不妨将在本文讨论的“以太”定义如下：无处不在的、光借以传播的媒介。请注意，这里并没有把以太当成绝对参照系。

“不存在以太”的最后判决，是主流学者按照一个“两步走”的逻辑关系做出的。

这个逻辑关系的第一步是迈克尔逊-莫雷实验。这个在19世纪末完成的实验，在现在是一个非常简单的实验，其结论是：要么不存在以太，要么存在以太且地球表面的以太被地球完全拖曳着一起运动。这个结论基本上被所有人接受。

这个逻辑关系的第二步是证明地球不可能拖曳其表面的以太一起运动。这些证明主要有三个。

第一个所谓的证明是“光行差”现象。所谓光行差现象，是指在地球上观察由恒星发出的光线，因地球绕太阳（恒星）的运动而使观察到的光线的方向与光线实际的方向不同。光行差现象说明，如果存在以太的话，则以太相对太阳静止，地球必然是在以太中穿行的。

但是，这个在1727年发现的现象，在迈克尔逊-莫雷实验出来后，被主流学者误用了，他们认为地球在以太中的穿行，就是连一件衣服也不穿的赤裸裸的穿行，武断地否定地球在以太中穿行的同时还有可能拖曳附近以太一起运动【1】【2】。

地球拖曳着大气圈一起运动，并没有影响到光行差现象；1871年，Sir G. Airy用水灌满望远镜，观测“光行差”，也发现星光偏差的角度仍然不变（考虑了水的折射率）；所以，如果地球拖曳附近以太一起运动，同样可以观察到光行差现象。换句话说，光行差现象本身并没有否定地球像携带大气圈一样拖曳着一个“以太圈”一起运动。

第二个所谓的证明是英国的洛奇于1892年做的“钢盘实验”（见本文的附 1）。洛奇欲通过这个实验观察物体是否携带附近的以太，最后得出了“以太被钢盘携带的速度不大于钢盘的 1/800”的结论。这一实验也被当成物体当然包括地球不能携带以太的证据。

但是，孤立地用洛奇钢盘实验也不足以否定地球拖曳以太，因为还存在这样一种可能性：2×10kg的钢盘与6×1024kg的地球争夺离钢盘表面2mm处且离地球表面2×103mm处的以太，钢盘输了；这个地方的以太不被钢盘拖曳，而被地球拖曳。

（关于洛奇的钢盘实验，本文后面还要用到。）

第三个所谓的证明是“光速不变”。主流学者认为，人们在地球上对光速测量得出的“光速不变”的结果，说明了以太不存在，当然也就没有“地球拖曳以太”一说。

但“光速不变”也并非无懈可击。

人的知觉有触觉、视觉之分。假设有个巨人的触觉非常非常灵敏，飞箭射入它的皮肤，他可根据痛感十分精确地说出飞箭射入的速度；又假设在他的皮肤外包裹了一层特殊材料，不管从外部射向他的箭飞来时是什么速度，或者他以什么速度向飞来的箭冲去，只要箭一进入到这个特殊层，箭运动的速度都会毫无例外地被特殊层调整为一个相对于特殊层的固定的速度。于是他的触觉告诉他，箭的速度总是那个固定速度。这样一来，他的触觉与视觉发生了矛盾。他是应该闭上眼睛相信他的触觉呢，还是应该睁开眼睛相信他的视觉呢？

我们做的各种关于光速的实验，都是立足于地球表面的，如果地球表面确实拖曳了一层“特殊材料”的以太，且光在以太中均以固定速度运动，那么光子之“箭”无论从外部怎样飞来，我们都会测量出它相对于我们是同一个速度（请注意，如果物体是可以拖曳以太的，那么任何仪器的表层都会拖曳一层以太，不管这一层多薄）。坚持相信触觉（只考察光子在地球表面的短距离的运动）的人当然会宣称“光速不变”，而坚持相信视觉（考察光子从运动的星球飞向地球的整个距离的运动）的人当然会反对“光速不变”。

由此看出，我们在地球上对光速测量而得出的“光速不变”的结果，也不足以否定以太的存在。甚至恰恰相反，“光速不变”还可能是地球携带以太运动的证据。

综上所述，主流学者们用来证明地球不可能拖曳其表面的以太一道运动的三个主要的实验都存在着漏洞。

所以我们可以说，尽管封堵以太的巨大铁门早早地被主流学者们关上了，而且100多年来加上了一把又一把的铁锁，尽管世人早已习惯于“光速不变”的理念中相安无事地生活而淡定地否定以太，但缝隙尤在。以太的“妖气”仍有可能不顾主流学者们的反对乘隙而入，进而升腾为一朵新的“乌云”，带给我们一个混乱的、革命性的、更为真实的物理世界。

3 重做迈克尔逊-莫雷实验，对“以太存在与否”作最后的确诊

地球果真拖曳着以太吗？正确的答案当然只能由实验给出。

主流学者们的“不存在以太”的盖棺之论，是由迈克尔逊-莫雷实验引起的，要重新审视“以太存在与否”，很有必要再回到这个实验。

当然，简单地重复迈克尔逊-莫雷实验是没有意义的。现在距迈克尔逊、莫雷完成实验的1887年已有125年了，人类在这段岁月中取得了光耀日月的科技进步，使得我们可以运用迈克尔逊、莫雷可能未曾想到过的手段来继续他们的探索精神和开创性实验。

到一个新的环境里去，在环绕地球飞行的轨道上进行迈克尔逊-莫雷实验，会怎样？

显然，要寻找地球拖曳以太的蛛丝马迹，绕地卫星是一个非常理想的地方，因为如果如果地球确实拖曳以太的话，在以第一宇宙速度飞行的太空站上就比较容易观察太空站相对于被地球拖曳的以太的运动，甚至能看到地球与太空站“争夺”太空站周围以太的好戏。

好，假设我们来到了太空站，在太空站里面做迈克尔逊-莫雷实验。为了便于数据对比，还可让宇航员飘到离太空站足够远（如20米）的地方做。

3.1 如果观察到了干涉条纹的移动，毫无疑问，我们可以得出：

结论3.1：存在以太，并且地球拖曳着周围的以太。

3.2 如果观察不到干涉条纹的移动，与地面上的迈克尔逊-莫雷实验相似，我们可以得出：

结论3.2.1：不存以太。

结论 3.2.2：存在以太，且太空站周围的以太被太空站完全拖曳着一起运动。

下面，我们结合已有的洛奇钢盘实验，分析结论 3.2.2是否能成立。

如果结论3.2.2成立，我们就要承认太空站对太空站周围的以太有作用力；而且还要承认，由于太空站周围的以太也是地球周围的以太，所以地球对这些以太也有作用力；并且太空站对这些以太的作用力大于地球的作用力。

我们可认为，对某处的以太，质量越大的物体对其作用力越大，质心离其越近的物体对其作用力越大。于是，物体对以太的作用力F可表示为：

其中M为物体的质量，D为离物体质心的距离，k、m、n为常数，m>0，n>0。

已知地球的质量MD=6×1021吨，太空站的质量MZ=1×102吨，干涉仪处的以太离地球质心的距离DD=6.37×106米+3.3×105米，干涉仪处的以太离太空站质心的距离DZ=20米。将这些已知数据代入（3-1）式，设地球和太空站对干涉仪处以太的作用力分别为FD和FZ，则有

如果结论3.2.2成立，说明地球对干涉仪处以太的作用力相对于太空站小到了可以被忽略的程度，于是可认为有

简化（3-5）式，得

从（3-6）式可得

可令

然后，我们回到地面上来。

设在地球对地面上以太的作用力为 FD1，则根据（1）式有

设在地面上有一块边长为2.4mm的正方体的钢，其质量为(1×10-7)吨，在距此钢块的质心(2×10-2)米处，钢块对以太的作用力为FG，根据（3-1）式有

（3-10）式除（3-3）式，得

将（3-8）式代入（3-11）式，有

将（3-4）式代入（3-12）式，得

用（3-9）式除（3-2）式，得

将（3-14）式代入（3-13）式，得

（3-15）式表明：如果结论3.2.2成立，则相当于说，一块处于地球表面的、边长为2.4mm的立方体钢块，对距其质心20mm处的以太的拖曳力，远远大于地球的拖曳力。

但是，当我们把许多边长为2.4mm的立方体钢块拼在一起组成一块厚度为2.4mm的圆盘时，就成为了“洛奇的钢盘”。而本文前面提及过，洛奇的结论是“以太被钢盘携带的速度不大于钢盘的1/800”，说明钢盘对钢盘附近（小于20mm）以太的拖曳力远远小于地球的拖曳力。洛奇的钢盘实验完全否定了（3-15）式。

于是我们可以得出：结论3.2.2不成立。

因此，对于太空站上的迈克尔逊-莫雷实验，我们可以得出最终结论：

观察到干涉条纹的移动，存在以太；否则，就不存在以太。

在绕地飞行的轨道上做迈克尔逊-莫雷实验的意义在于：借助“太空站与地球争相拖曳太空站附近以太”的假设，结合地面上的迈克尔逊-莫雷实验和洛奇钢盘实验的结果，真正地、不留任何余地地对以太存在与否作出最后确诊。

4 实验的设备

地面上的迈克尔逊-莫雷实验是借助地球每秒30公里的绕日公转的巨大速度来观察地球相对以太的运动。而在绕地轨道上做迈克尔逊-莫雷实验，则是借助这里每秒7.9公里的绕地速度来观察空间站相对被地球拖曳的以太的运动。

图1 准备在太空站使用的改进型迈克尔逊干涉仪的示意图

图1是准备在太空站使用的改进型迈克尔逊干涉仪的示意图。有如下特点：

4.1 为了方便在太空站操作，这种干涉仪的臂长只有 0.8m左右。

4.2 为了增加光程，保证实验的精度，外加了两套平行反光镜，以让光线在其内反射足够多次数。两片平行反光镜子间距0.5m左右，光线在其间反射256次，反射率99.9%，光线还剩77%。

4.3 平行反光镜的材料宜采用美国加州大学伯克利光电及纳米结构与半导体工艺中心研制出的高反射率的纳米镜子，厚度只有0.23微米，反射率超过99.9%，制作工艺简单、成本低。

4.4 采用钠光源，波长为5.9×10-7米。

4.5 如太空站几乎不能拖曳太空站周围的以太，则干涉图样中移动的条纹数应该为2×0.5×256×（7.9×10-5/3）2/5.9×10-7=0.30。

当年迈克尔逊的仪器，其精确度可观察到0.01条，我们拿到太空站上的仪器的精确度应更高。

5 实验结果的预测

本文预测，环绕地球轨道的迈克尔逊-莫雷实验将会证明存在以太。

之作出这样的预测，是因为如果存在以太的话，用以太的观点可以更好地解释一些重要的物理问题，如前面提到的“光速不变”问题，还有遥远恒星的红移问题，斐索实验问题，等等。

下面就试用以太的观点解释斐索实验的结果。

我们知道，在微观上看，水分子是由原子核和电子组成的，水分子之间的距离大约是电子直径的4×105倍，是原子核直径的4×104倍以上；在这偌大的空间中充满了以太，光子在水分子中的传播仍然是在以太中传播。

离水分子质心近的以太，受到水分子的拖曳力大，离得远的，受到的拖曳力小。当水流动时，受拖曳力大的以太跟着水分子走，受拖曳力小的以太就不跟着水分子走或走得很慢，这就使得流水中的以太被拖曳的平均速度VP总是小于水流的速度V，即

光子在流动的水中的通过速度VL，应该等于光子在静止的水中的速度VJ与流水中以太被拖曳的平均速度VP之和，即

将（5-1）式代入（5-2）式，得

（5-3）式说明，当光顺着流水的方向从流水中通过时，光的速度小于光在静止的水中的速度与水流动的速度之和。这正是斐索实验的结果。

6 谁会来做这个实验

随着美国公司“龙飞船”的投入使用，随着太空旅游业务的兴起，具备能力做这种绕地轨道上的迈克尔逊-莫雷实验的，现已不限于国家了，公司、甚至个人都已身在其列。

但是，谁会来做呢？

揭开大自然的更多奥秘，站得更高一层与上帝对话，是人类与生俱来的追求。因此，在现在这样一个急切地盼望以科学突破来破解众多宇宙谜团和经济社会问题的年代，会有不止一个团队愿意把绕地轨道上的迈克尔逊-莫雷实验付诸实施。中国，美国，俄罗斯，欧盟，都有可能。

不过，如果把“绕地轨道上的迈克尔逊-莫雷实验”比作一道佳肴的话，除了按部就班、正经八百地照章烹调之外，是否还有别出心裁的厨师也来一显身手，将这道佳肴烹调得别有风味呢？

6.1 由太空游客来完成

去太空旅游的人都是怀有强烈好奇心的人，也是具有强大经济实力的人。旅游是私事，而探测以太则是代表人类与上帝对话，具有非比寻常的探索价值和人生意义。自己掏钱，自行准备，不需在经费方面走政府和机构令人生畏的官样程序，优哉游哉。

6.2 娱乐化地来完成

以太的故事本身带有十足的传奇性，它一直与电磁理论、相对论、宇宙科学等纠缠不休，包括爱因斯坦在内的许多科学巨匠都对其痴迷不已，这就使以太的探索能吸引众多的眼球。由于包含了能调动全球注意力的物质深层奥秘、太空探险、巨大悬念、长期争论等等元素，这项实验实在是绝好的商业操作题材。

设备的研制，实验者的海选，实验准备的进程，科学家、学者的畅谈和争论，各方的猜测，以倒计时的方式揭晓实验的结果……，一反科学家们在自己的圈子内严肃地从事实验的做法，这次实验可成为一次全民的科学狂欢。

6.3 用“土法”来完成

英雄出草莽，古今中外同。一群异想天开的人，也许会想到在喷气式飞机中进行实验（戏称在“超低的绕地轨道”上进行的实验）。

（1）飞机的速度每秒300m左右，为光速的10-6倍。

（2）同样采用本文图1的设备。两片镜子间距约1.5m，光线在其间反射4000次，反射率99.9%，光线还剩1.6%。

（3）采用钠光源，波长为5.9×10-7米。

（4）干涉图样中移动的条纹数为 2×1.5×4000×（10-6）2/5.9×10-7=0.02

这样的实验是在极限的边缘进行，需要勇气，需要心细，还需要一些运气。

仪器的尺寸在2m左右，只能安放在飞机的货舱中；光线只剩下1.6%，要求光源有足够的功率；如果仪器的精度只能达到当年迈克尔逊的0.01条，可观察到的最大条纹移动数为仅为0.02条。

不过，提高实验的可信度的余地还是有的，比如，驾驶员配合一下，把飞机的瞬时速度提高到巡航速度的X倍，则可观察到的条纹移动数就会提高到X2倍。

土法需要的资金少得多，需准备的时间和环节也少得多。

[1]梁绍荣,管靖.基础物理学(上册)[M].北京:高等教育出版社,2002:93.

[2]吴大猷.相对论(中国科学技术经典文库·物理卷·理论物理)[M].北京:科学出版社,1983:16-17.