迈克耳逊

姓名:迈克耳逊 Michelson,Albert Abraham

国家或者地区:德国-美国

学科:物理学家

1878年，迈克耳孙开始了将与他结下了不解之缘的光速精密测量工作。早在两个世纪以前，罗伊默便是光速测量的先驱者。布雷德利、傅科和菲佐都作过测量。然而，迈克耳孙却决心用自制的仪器测得比他们都准确。他采用傅科的方法，加了一些小的改进，做出了他的第一个光速报告。由于他认识到必须先学习光学才能取得进一步的成果，便远涉重洋，去德国和法国求学。一回到美国，他就辞去了军职，在克利夫兰州当了凯瑟应用科学学院的物理教授。

1882年，他准备停当后再次尝试，结果测出光速为每秒299，853公里(每秒186，320英里)。这个值在三十余年内一直是所测得的最佳值(这个纪录后来的刷新者还是迈克耳孙本人)。 1881年，迈克耳孙，在A.G.贝尔的资助下制成干涉仪，用于把光束一分为二，让两部分沿不同路线射出，然后使其合在一起。麦克斯韦曾在六年前提出过这个实验。假如这两部分光束以相同的速度通过不同的距离，或以不同的速度通过相同的距离，它们就会失相并互相干涉，产生亮暗相间的光带。扬检测到了当两道光线相遇时出现的这些干涉条纹，从而证实了光的波动性。迈克耳孙利用自己的干涉仪研究了相互垂直传播的两部分光束。当时人们认为，光作为一种波，必须是某种东西的波(正如海浪是海水的波一样)。因此假定整个空间充满着光以太。("以太"一说便又恢复了亚里士多德曾设象的那种为地球大气层以外所有物体成份的第五原质的地位)。人们认为以太是不动的，地球运行时通过以太。因此，顺地球运动方向发出的光传播得应该(或看来应该)比向与地球运动方向成直角发出的光快些。两束光会失相并出现干涉条纹。测量条纹的宽度(不是测量干涉条纹的宽度，而是测量条纹移动的距离。下同。--译者)，就可能求出地球相对于以太的精确速度。这样，便可以测定地球的"绝对运动"，还将由宇宙间一切物体相对于地球的运动得知它们的绝对运动。

他在1881年做的首次实验是在柏林亥姆霍兹的实验室进行的。没有出现干涉条纹。他更加煞费苦心地采取消除误差的措施继续尝试。1887年，他和莫利在看来绝对可靠的环境下进行实验，然而还是失败了。他们看不到有明显宽度的条纹，因此光速在任何环境下任何方向上都没有差别。(从那天起也没有任何人发现过)。毫无疑问，迈克耳孙-莫利实验，是科学史上众所周知的最出名的失败实验。(虽然如此，芝加哥大学1898-1899年鉴中物理部分的介绍却说，物理结构已是十分严整，以致除了求出各种常数的第六位小数值以外，无需再继续研究别的什么了。这便忽视了迈克耳逊-莫利实验已将物理学搞得七零八落的这一事实。那么，谁是当时这所大学物理系的主任呢嘿，正是迈克耳孙!)这个实验可以说是推翻了所有有关以太的学说(马赫立刻宣称不存在以太)，因而有必要为光速不变性寻求某种解释。菲茨杰拉德提出了最富有戏剧性的解释:高速物体的长度有轻微变化，这种变化正好足以抵消光速的变化，使它显得是恒定不变。1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论，使解释工作达到高潮。

狭义相对论通过假定光在真空中的速度为一个基本和不变的常数开始，利用普朗克于1900年提出的量子理论，消除了以太存在的必要性(然而迈克耳孙却一直未能接受相对论)。毫无疑问，迈克耳孙-莫利实验是第二次科学革命理论领域的起点，就象伦琴于1895年发现的X射线是实验领域内革命的肇始一样。 1907年，迈克耳孙因各种光学研究的成果荣获物理学诺贝尔奖。他是获得某门学科的诺贝尔奖金的第一个美国人。但是迈克耳孙的光学研究却并非只因否定性结果而著名。他的干涉仪使他有可能通过比较从天体两侧发出的光线而测定天体的宽度，并根据干涉条纹的性质，测定两个发光点之间的距离。当然这种作法只不过是一种技术演示而已，因为这些卫星的角距离可通过直接观察的方法来测出。

不过在1920年，他用更好的望远镜着手努力测量甚至现在都不能用直接观察去测的恒星的直径。他用附加到100英寸的望远镜上的一个20英尺的干涉仪，测量出了巨星参宿四的直径。这一消息登在了《纽约时报》头报位置上。科学消息上了这家报纸的头号版面，这可是破天荒第一次(这是当时对科学发展成绩的罕有赞许)。同时，他建议用光波作为长度标准，代替保存在巴黎郊区用作国际标准米的铂铱米原器。最初他认为钠的明亮黄谱线可能行，后来又发现镉在高温下辐射的红光更适于做长度标准。1893年，他用镉的红色谱线波长量度了米原器。(用光波作为长度标准，这在1960年才被接受)不过，这时人们采用的标准光波是1893年时所不知道的稀有气体氪的辐射光，而不是镉的红色谱线。

1892年，迈克耳孙就任芝加哥大学的物理系主任，这个职位他一直担任到退休。从1923到1927年，他是美国科学院院长。 1923年，迈克耳逊又回到精确测量光速的课题上来。他以误差不超过1英寸的精度测量出了加利福亚山某两座山峰之间的一段22英里的距离。他使用友人斯佩里为他专门制备的一面八面旋转镜;到1927年，测得的光速值为299，798公里/秒。他再次测试，这次他使用一根能抽成真空的长管子，因此能测量光在真空中的速度。将光一再反射，直到在真空中行进10英里长。当时迈克耳孙已在病中，未能等到得出最后的结果。但在1933年(此时他已去世)，公布了最后测量值-299，774公里/秒(186，271英里/秒)。迈克耳孙逝世大约三十年后，公认的光速值被定为299，792.5公里/秒(186，282英里/秒)，这个值介乎迈克耳孙最后两次测得的数值之间。下面讲他的一个与光速无关的实验，即迈克耳孙对一根铁管中水平的显微观察。虽然管内"潮汐"的水平变至多为4微米(不到百万分之6英寸)，但这足以使他能象通过海洋中的嘲汐一样，计算出太阳和月亮对地球的引力强度。他指出，固体地面随太阳和月亮的升落而起伏，其水平面变化为35厘米，即稍大于1英尺。