诺贝尔物理学奖史演义系列(七)——迈克尔逊

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-12-27

迈克尔逊干涉仪是光学领域里最常见的干涉仪,是近代物理学的重要实验仪器之一。

清晨起床,一缕阳光洒进房间,寓示着新的一天开始了。虽然太阳离地球非常遥远,但阳光只需要几秒钟就可以到达地面,由此可见光的速度非常快。很多人都知道,光的速度是30万公里每秒。但这个数据得来颇为不易。因为光跑得实在太快了,没有超高端的实验设备和很专业的实验方法根本无法测量。

阳光从阳光照射到地球,要8分多钟时间。(来源:素材网)

阳光从阳光照射到地球,要8分多钟时间。(来源:素材网)

100多年前,许多科学家都致力于光速的测定,最后拔得头筹并荣获诺贝尔物理学奖者,是当时的美国物理学会主席阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊。

迈克尔逊并不是地道的美国人。他生于波兰斯特雷诺市,父亲是犹太商人。四岁时随父母到旧金山,后来又到加利福尼亚等地。

科学史上的名人,大多离不开名师的教育和培养,迈克尔逊也不例外。父母忙于生意,小迈克尔逊被送到旧金山男子中学的校长家里求学。校长布雷德利慈祥温和、知识渊博,他发现迈克尔逊聪明好学,总是对世间万物尤其是阳光很感兴趣时,便引导孩子发展自然科学的兴趣。

中学毕业时,布雷德利校长建议迈克尔逊参加美国海军军官学校的州内选拔,有进行先进科学实验的机会。迈克尔逊参加考试,成绩与另两名同学并列第一,以为自己可能没机会,便打算放弃这次选拔。布雷德利校长得知消息后,语重心长地说:“机会是需要自己争取的”。

迈克尔逊(来源:百度)

迈克尔逊(来源:百度)

迈克尔逊受到鼓励,给白宫总统写了一封信,信中阐述自己的处境,并表达了自己想从事科学研究的强烈愿望。总统格兰特读信后很受感动,遂通知迈克尔逊直接到华盛顿安纳波利斯的海军学校报到。不久,才华出众的迈克尔逊被委任为实验室副主任。此后,他一直从事光学和光谱学研究,致力于光速的精密测量,成为光速测定的国际中心人物。

迈克尔逊在光学研究上的第一个重要成就是发明了以他名字命名的干涉仪——迈克尔逊干涉仪。干涉仪是指利用各种波的叠加条纹来确定波的信息,从而取得相关物理数据的仪器。迈克尔逊干涉仪是光学领域里最常见的干涉仪,是近代物理学的重要实验仪器之一。不但可以用来测定微小长度、折射率和光波波长,还是傅立叶光谱议等现代光学仪器的重要组成部分,被广泛应用于寻找太阳系外行星的探测中。

迈克尔逊干涉仪示图(来源:素材网)

迈克尔逊干涉仪示图(来源:素材网)

迈克尔逊发明干涉仪的初衷,是为了证明以太的存在,却不想为十九世纪末经典物理学天空中的两大“乌云”之一——狭义相对论提供了实验依据。

以太是古希腊人的杰作。他们认为以太比空气更普遍,充满于天空和宇宙。17世纪末,法国科学家笛卡尔把以太引入到经典物理学中。英国科学家牛顿则认为,存在一个与外界无关的、永远不动的绝对空间,宇宙万物都相对这个绝对空间进行运动。这个绝对空间就是以太的化身。后来的科学家们大都认为,声波靠空气传播,水波靠水来传播,太阳光穿过宇宙照到地球上则靠以太这种媒介来传播。麦克斯韦建立电磁理论时,认为电磁波也靠以太来传播。

以太到底是什么样的呢?谁也没见过。尽管如此,科学家们仍然前赴后继地做实验和天文观测,以验证以太的存在,并确定它的属性。迈克尔逊也是其中一员。

1879年3月,迈克尔逊偶然间看到麦克斯韦的一封信,信中说,希望后人能想法测出地球相对于以太的运动情况。迈克尔逊想:既然地球围绕太阳的速度是每秒30千米,那么朝地球运动的方向和与它的垂直方向同时射出一束光,两束光相遇时一定会形成干涉,产生干涉条纹。可是,当他用新发明的干涉仪进行测试时,始终没看到预想中的干涉条纹。

1887年,在美国化学家莫雷的帮助下,迈克尔逊改进实验装置,最终可以测出一根草每一分钟的生长量,一根干涉条纹百分之一的移动路线。实验中,为了免除各种因素造成的误差,他们把通过不同的时段进行观测。这就是著名的迈克尔逊-莫雷实验。这个实验里没有出现干涉条纹。换言之,地球相对以太的运动速度是零,与“地球围绕太阳公转,速度是每秒30千米”这条科学事实相悖。

迈克尔逊—莫雷实验的器材(来源:维基百科)

迈克尔逊—莫雷实验的器材(来源:维基百科)

科学界信奉了两千多年的以太根本不存在!那牛顿所说的绝对空间也不复存在!经典物理学大厦岌岌可危!

著名科学家爱因斯坦根据“以太并不存在”的理论,在迈克尔逊-莫雷实验的基础上建立了著名的狭义相对论,把经典物理学带到另一个层次。可以说,没有迈克尔逊关于光速的基础实验,狭义相对论很可能没有或很晚才出现。

迈克尔逊(左二)与爱国斯坦(来源:中国社科网)

迈克尔逊(左二)与爱国斯坦(来源:中国社科网)

从发明干涉仪到首创迈克尔逊-莫雷实验否定以太理论,迈克尔逊对物理学的巨大贡献有目共睹。1907年,几轮筛选过后,迈克尔逊站在了年度诺贝尔物理学奖的领奖台上,获奖理由是“发明精密光学仪器并借助这些仪器在光谱学和度量学领域做出杰出贡献”。这可算对他最公允的评价。

迈克尔逊虽然由于证明以太并不存在而让他在西方科学界享誉盛名,但他一点不骄傲,反而更加谨慎、勤奋。1926年,他终于用多面旋镜法较精确地测出了光的速度:约是30万千米每秒!

迈克尔逊八面镜测光速(来源:维基)

迈克尔逊八面镜测光速(来源:维基)

迈克尔逊在光学领域获得诺贝尔物理学奖,这说明光学永远是物理学的重要组成部分之一。继迈克尔逊之后,又一位物理学家在光学领域大展伸手。他因为发明了彩色玻璃照相技术,使人类从黑白照相技术过渡到彩色照相时代而获得1908年度诺贝尔物理学奖。他有何传奇经历?欲知后事如何,且听下回分解。

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【参考资料】

1、 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君。

2、 论文《20世纪物理学的伟大缩影》,作者清华大学郭奕玲,《物理研究》2009年第2期。

3、 论文《关于迈克尔逊干涉仪的一点探讨》,作者蒋卫敏等,《宁波大学学报》2006年第3期。

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