1907 年诺贝尔物理学奖——光学精密计量和光谱学研究

迈克耳孙像

1907 年诺贝尔物理学奖授予美国芝加哥大学的迈克耳孙(Albert Abraham Michelson,1852—1931),以表彰他对光学精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的贡献。

迈克耳孙是著名的实验物理学家。他以精密测量光的速度和以空前的精确度进行以太漂移实验而闻名于世。他发明的以他的名字命名的干涉仪至今还有广泛应用。

迈克耳孙的光速实验

1878 年,迈克耳孙在教授物理课时,为了改进教学,选取一个光学实验做了表演,这个实验正好就是用旋转镜方法测量光速,从而对改进傅科测光速的方法产生了兴趣。1878 年 7 月,迈克耳孙从岳父那里获得了 2 000 美元的赠款,于是得以改进旋镜装置来完善他的实验。这是在斐索、傅科、考纽(Cornu)之后的第 4 次地面光速测量。航海历书局局长纽科姆(S.Newcomb)对他的工作产生兴趣。1878—1879 年迈克耳孙发表了第一批科学报道和论文,并开始在一项由政府发起的计划中与纽科姆合作,对光速的测量作了进一步改进。1880 年,他被批准请假到欧洲去当研究生。在柏林他跟随亥姆霍兹学习,在海德堡跟随昆开(Quincke)学习,在巴黎跟随考纽、马斯卡特(Mascart)和李普曼(Lippman)等人学习。

1880—1881 年冬季,迈克耳孙在亥姆霍兹的实验室工作,他想到一种方法尝试麦克斯韦设想的二级测量,来检验地球相对于那个假设的无所不在的光以太的运动。凭着贝尔(A.Bell)在柏林仪器制造厂家施米特(Schmidt)与汉胥(Hänsch)公司的资金,迈克耳孙设计了一台称作干涉折射计的仪器,以后他就用这台仪器来检测这个相对运动或所谓的“以太风”。检测的方法是将单一光束分成互相垂直的两路,来比较这两路的光速。在两次观测中整个基座可以旋转,原理如图 07 – 1 所示。预期两束光复合时会产生干涉条纹,而在不同的方位干涉条纹会移过基准线给出一定数据从而计算出地球穿过空间相对于以太或“恒”星的“绝对运动”。第一次以太漂移实验是在柏林做的,后来又在波茨坦天文物理学观象台进行过,都得到了令人失望的零结果。这一结果发表后,立即受到了种种指摘。迈克耳孙本人也认为实验是失败的。

图 07 – 1 迈克耳孙检测以太风的实验原理图

19 世纪 80 年代人们普遍接受的光的波动学说简单地假定了媒质“以太”的存在,它必须充满分子之间的空间,不管是透明体还是不透明体,还必须充满星际空间。因此,在宇宙中它一定是静止不动的,从而为测量地球速度提供了参照构架。迈克耳孙大胆否定了静止以太这一假说的确实性,不过他仍然保持着依靠某种以太来说明光的传播现象。不久,为了解释为什么在地面上迈克耳孙干涉仪察觉不到任何的相对以太风或相对运动,看来需要提出某些特殊假说。这个疑难激起了洛伦兹、W.汤姆生(后称开尔文勋爵)、费兹杰惹以及其他一些人的兴趣。

1881 年迈克耳孙从现役退伍,次年到俄亥俄州克利夫兰市新成立的凯斯(Case)应用科学学院任职。在那里,他建立起改进了的仪器,用于查核纽科姆的光速测量,以及测试各种媒质中不同颜色的光的折射率。

1885 年迈克耳孙与西里舍夫大学的莫雷(EdwardW.Morley)开始合作计划。莫雷是一位优秀的实验家(基本上是化学家),有一间精致的实验室。在 W.汤姆生、瑞利和吉布斯的建议下,他们的第一项努力就是去核实 1859 年报道的斐索实验,这个实验在比较流水中光逆行和顺行的表观速度时认为是证实了菲涅耳的曳引系数。这一“以太曳引”实验作得很好,确认了菲涅耳、麦克斯韦、斯托克斯和瑞利等人关于天体光行差和无所不在的非物质光以太的假设。

然后,迈克耳孙与莫雷又重新设计了 1881 年的以太漂移实验,将光程长度增大 10 倍,同时将石板漂浮在水银面上,用于减小转动摩擦,这个实验通称为迈克耳孙-莫雷实验。图 07 – 2 是迈克耳孙-莫雷实验装置的现场照片。1887 年 7 月迈克耳孙和莫雷用了五天的时间探测地球沿其轨道与静止以太之间的相对运动。他们所得的结果仍然是零。他们非常失望,因而放弃了原来想在秋季、冬季和春季继续测试的想法。用这台新干涉仪他们获得了四亿分之一的灵敏度,这本身就是一种收获。这两位革新家又开始考虑这种仪器的新用途了。尽管这两位实验家很快忘记了他们的失望,可是那些理论家,特别是费兹杰惹、拉莫尔、洛伦兹和彭加勒却十分重视他们在寻找条纹移动和确证菲涅耳和斯托克斯的光波动说所遇到的失败。

图 07 – 2 迈克耳孙-莫雷实验装置

1889 年迈克耳孙接受了新的聘任,迁到马萨诸塞州伍舍斯特(Worcester)新建立的克拉克(Clark)大学。在这同时他开始进行一个重要的基本度量计划,这是他跟莫雷一起设想的,从实验上用镉红线的波长来测定存放在舍夫勒的国际标准米尺。迈克耳孙用他的干涉折射计作为比长仪,通过光谱学和干涉技术获得一种非物质的长度标准,于 1892—1893 年确定了巴黎的米尺等于镉红线的 1 553 163.5 个波长。这个项目是如此地成功,如此地精确,也因此使迈克耳孙获得了 1907 年诺贝尔物理学奖。

图 07 – 3 迈克耳孙正在观察测量仪器
图 07 – 4 1931 年迈克耳孙、密立根和爱因斯坦在一起

获奖者简介

迈克耳孙  1852 年 12 月 19 日出生于波兰的斯特列罗(Szrelno),4 岁时随双亲经纽约和巴拿马迁居到旧金山。他从小就热爱科学实验,1869 年进入安纳波利斯海军军官学校,毕业后留校当物理教师。1878 年,迈克耳孙在教授物理课时,对改进在地面上测光速的傅科法产生了兴趣,从此开始了他和光速测量的不解之缘。1880—1882 年,他到欧洲留学,先后到柏林、海德堡和巴黎向著名光学家学习。1889 年担任美国克利夫兰市凯斯应用科学学校物理学教授。1892 年任芝加哥大学教授。1923—1927 年推选为美国科学院院长。他是美国第一位获得诺贝尔物理学奖的科学家,备受美国公众爱戴。1931 年 5 月 9 日逝世于加州的帕萨迪纳。

1880—1881 年当迈克耳孙在亥姆翟兹的实验室工作期间,他想到用光学方法测量地球相对于以太的运动。这个方法的实质是比较平行于运动和垂直于运动这两个方向的光速,地球在运动,按照经典理论应该有些差别。他设计的方法完全有可能测出这一差别,但是迈克耳孙却得到了令人失望的零结果。以太相对运动虽然没有测到,迈克耳孙却因此发明了一种极其灵敏的干涉仪。这种干涉仪就叫迈克耳孙干涉仪。

以太漂移运动是经典物理学中的重要问题,迈克耳孙-莫雷实验的零结果对经典理论是一个致命的打击,以至于开尔文勋爵在 1900 年惊呼这是物理学上空的一朵乌云。这个零结果导致了洛伦兹提出长度收缩假说,对 20 世纪物理学革命有极为重要的影响,然而,无论是迈克耳孙本人,还是诺贝尔奖委员会都没有在颁奖时提到这一成就。

迈克耳孙是一位光学实验大师,他不但发明了迈克耳孙干涉仪,并用之于测量以太漂移运动和建立非物质的长度标准,还发明了阶梯分光镜、谐波分析器、大尺度的竖直干涉仪以及高分辨率的衍射光栅。他还成功地进行了地球刚性实验(或称地球潮汐实验)和用干涉方法测量猎户座 α(参宿四)的角直径。他在四五十年间曾经多次测量光的速度,结果之精确使人们把他的结果作为国际标准值达半个世纪之久。

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发布时间:2006/4/20 下午3:49:13  阅读次数:8065

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