迈克尔逊干涉实验的物理思想

郑庆华，王忠全

(淮南师范学院 物理与电子信息系，安徽 淮南 232038)

引言

迈克尔逊干涉实验是各本科院校普遍开设的一个光学基础实验，用双光束分振幅干涉的原理对各物理量进行测量，是现阶段世所公认的精度最高的一种检测手段。迈克尔逊干涉实验以其精巧的设计，较高的精确度，丰富和精彩的物理思想而为人们所青睐，有人说：从未有这样一个实验能如此引起人们的兴趣。我们试图从另一个层面，来挖掘这个实验所蕴含的物理思想，以期给学生更多的启迪，达到实验教学的真正目的。

一、经典性

迈克尔逊干涉实验是一个经典的实验，其经典性表现在以下几个方面：

（一）历史地位的重要性

迈克尔逊曾用双光束分振幅的干涉原理，做了3个闻名于世的实验：迈克尔逊-莫雷实验、光谱精细结构和利用光谱波长标定米标准原器。

迈克尔逊-莫雷实验。1881年美国物理学家迈克尔逊（A Michlson，1852-1931）为测量光速，依据分振幅产生双光束实现干涉原理，精心设计了一种干涉测量装置——迈克尔逊干涉仪，这种干涉仪能以极高的精度来测量长度的微小变化，并可观察和分析各种干涉现象。迈克尔逊-莫雷（Morley，1838-1923）利用这种干涉仪完成了相对论研究中有重要意义的“以太”漂移实验，彻底否定了“以太”的存在，解决了当时关于“以太”的争论并确定光速为定值，为爱因斯坦提出相对论提供了实验依据。

光谱的精细结构。在最初的迈克尔逊干涉实验的研究中，是用纳光的波长作为实用的长度标准，但是纳黄光为典型的双线结构，因此决定去寻找细锐且没有精细结构的谱线，由此开始了对不同的元素发射谱的研究，迈克尔逊用自己发明的干涉仪，将待测的条纹与遵守已知规律变化的光强对照，观察到的曲线再与理论曲线相对比，以确定谱线的结构。随着研究的深入，他发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构，迈克尔逊的这一发现对现代原子理论的发展和研究起到了重要的推动作用，在此基础上迈克尔逊还运用自己发明的“可见度曲线法”，对谱线形状与压力、谱线的展宽与分子自身运动的关系进行了深入研究，取得了丰硕的成果，为现代分子物理学、原子光谱和激光光谱学等新兴学科的发展奠定了理论和实验的基础。

标定米标准原器。1892年春，迈克尔逊发现国际米原器的长度即1米等于1553163.5倍的红镉谱线的波长（6438.4722A），国际计量局决定以镉的波长测定国际米原器的长度，这是人类首次获得了一种永远毁不了的长度基准，迈克尔逊的工作为人类获得的长度的统一基准奠定了基础，使人类对长度基准的要求上了一个台阶。迈克尔逊也因他对光学精密仪器，及用之于光谱学和计量学研究所做的贡献，而荣获1907年诺贝尔物理学奖①郭奕玲,沈慧君：《诺贝尔物理学奖一百年》,上海：上海科学普及出版社，2002年。。正是由于上述的几个方面，使得迈克尔逊干涉实验在物理学的发展史上占据了重要的位置。

（二）原理的简明性

迈克尔逊干涉实验原理简明，只利用了一个分束板就很好地解决了相干光问题，这在当时是一个了不起的成就。光路见图1：

图1 迈克尔逊实验干涉原理图

从光源S发出的一束光射到一平行平面板G1上，G1即为分束板，板后表面镀有半反射膜，这个半反射膜将一束光分为两束光，一束为反射光1'，一束为透射光2'，当一束光以45°角射向G1时，被它分为互相垂直的两束光，它们分别垂直射到反射镜M1、M2上，经反射后这两束光再回到G1的半反射膜上，又重新汇集成一束光，由于反射光1″和透射光2″，来自同一光源为两相干光束，因此，我们可在E方向上观察到清晰的干涉条纹，G2为补偿板与 G1平行，补偿透射光的光程差，保证 1′，2′两束光在玻璃中的光程完全相等，这就是双光束干涉原理的基础，简洁明了②马葭生，宦强：《大学物理实验》，上海：华东师范大学出版社，2006年。。

（三）设计思想的巧妙性

有人说迈克尔逊设计思想的巧妙性在于:他利用平面镜改变光路，从而用同一束光产生干涉变为可能，很好地解决了相干光问题，在当时还没有单色性、稳定性好的激光问世之前，他的这样一种设计理念，成为利用振幅分割法研究光干涉的一个代表。

在大学物理实验中调节M1与M2严格垂直就可观察白光，钠灯，汞灯，激光等的等倾干涉条纹，实验中要求学生读移动500个条纹时反射M2镜的移动距离△d，根据公式λ=就是我们常做的定量测波长实验，实验结果可以精确到10-5mm③李平：《大学物理实验》，北京：机械工业出版社，2006年。。同时还可让学生观察比较激光条纹和汞灯条纹的异同；圆条纹与直条纹的异同；从圆条纹的涌出与缩进判断两反能镜的相对位置等。甚至可以要求学生取下近似眼镜(或者带上远视眼镜)，去观察汞灯圆条纹，以判断条纹的定域，这种巧妙的设计思想，使迈克尔逊干涉实验的内容极其充实，既有定性观察又有定量测量，既有粗测，又可进行精确测量，既有确实性又有探索性，其中却不乏巧妙之处，因此人们称迈克尔逊干涉实验是一个经典的基础光学实验，是大学物理必修的一个实验项目。

二、衍生性

迈克尔逊干涉仪在近代物理和计量技术中也有着广泛的应用。随着科学的不断进步，迈克尔逊干涉仪已逐渐被更完善的现代干涉仪取代，但它的基本结构、设计思想仍然是许多干涉仪的基础。

最早受迈克尔逊干涉仪设计思想影响的是谢尔盖（Seorge）。迈克尔逊干涉仪最早是用来测量地球相对于以太运动的。迈克尔逊利用此仪器没有发现地球相对于以太的任何运动，但此干涉仪的设计思想即利用沿不同方向传播的光的干涉物体，相对于惯性系运动速度的精确测量，给人们留下了深刻的印象，其中Seorge就是最早领会迈克尔逊干涉仪设计思想的人，他利用闭合环路中沿顺时针和逆时针方向上传播的光的干涉,测量物体旋转角速度，成功设计了一台Sagnac干涉仪，于1913年在高速旋转的桌子上进行了演示并获得了成功。随着1960年激光技术的出现，Sagnac干涉仪的应用揭开了新的篇章，为激光陀螺的诞生奠定了理论和技术基础，激光陀螺由于没有传统陀螺中的运动部件，避免了因机械应力及摩擦引出的测量误差，被广泛用于民用和军用领域，成为提高导航精度的关键元件。

近代物理学的发展，迈克尔逊干涉仪更是为其精密测量，导航定位提供了广阔的发展空间。由迈克尔逊干涉仪衍生出的泰曼格林干涉仪、F-P干涉仪、量子干涉仪都是在迈克尔逊干涉仪的基础上衍化而来，在生产、科研、军事、航空等领域发挥了更大的作用。

三、启发性

挖掘迈克尔逊干涉实验的物理思想，我们可以从中获得很多启发，这对于学生实验素养和创新能力的培养都有益处。

（一）坚强的毅力

迈克尔逊一生取得了无数的成就和荣耀，这来源于其孜孜不倦的追求，在科学的道路上从来就没有平坦的大道，只有不畏艰辛勇于攀登的人才能到达光辉的顶点。迈克尔逊的一生中不知遇到过多少困难和挫折，但他从不退缩，在对干涉仪的设计和研究中，他也经历了无数次的失败，但他研究目标明确，无论遇到多大的压力，都不会改变朝着既定目标努力的决心，他有着充分的信心和坚强的毅力，什么也阻挡不了他，他清楚地知道自己应当做什么和怎样去做，这才使得他能设计出迈克尔逊干涉仪，并在以太漂浮实验中推翻了占统治地位的以太假说，并不断地重复实验，以确保实验的准确性，为相对论的提出奠定了扎实基础，他的这种为获得成功而坚韧不拔的坚强毅力，仍然是我们今天学习的榜样。

（二）科学的方法

明确的目的，坚强的毅力，再加上科学的方法，这是他取得成功的要素所在。实验中迈克尔逊经常能以他独到的眼光，找出解决问题的方法。麦克斯韦曾提出：因光与地球运动方向平行和垂直时，通过相同距离所用时间差别极其微小,以至于无法测量,但迈克尔逊却找到了解决问题的方法，他用干涉条纹移动代替时间差测量方法,开了微小量放大法的实验方法的先河。

赵凯华曾在《物理学照亮世界》中说到：“物理学是唯一一门理论和实验高度结合的精密科学。物理学中有一套最全面最有效的科学方法,实践证明,把这套方法运用到自然科学的许多领域,乃至社会科学,都是卓有成效的。在教育中,对于学生的科学素质培养,物理课有着无可替代的作用。”①赵凯华：《物理学照亮世界》，北京：北京大学出版社，2005年。正是基于此，我们能从这个历史上著名的实验中分析、挖掘、归纳、提炼出共同的，带有普遍性的物理思想，总结出系统的规律，以拓展学生的思维，开阔学生视野，培养他们的探索和创新精神，这正是实验教学真正目的之所在。