拨开天空的乌云——纪念将毕生献给光学测量的A.A.迈克尔逊

田 川

(重庆市第八中学校，重庆 沙坪坝 400030)

1905年6月,德国著名的《物理学年鉴》杂志的编辑收到了一篇“怪异”的来稿,再三斟酌后发表在了当年9月的第4篇第17卷上．[2]这篇名为《论动体的电动力学》的作者就是后来大名鼎鼎的爱因斯坦．在这篇文章中提出的观点多年以后被人们称为——狭义相对论．利用这篇文章中的新理论可以解释萦绕在当时物理学领域的一朵乌云——“以太漂移”的相关实验．这个“以太飘移”实验就是著名的迈克尔逊——莫雷实验．本文要讲的就是关于迈克尔逊的故事．

1 一位普通但又坚毅的少年

阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊(Albert Abrahan Michelson),1852年12月19日出生于普鲁士,是一个犹太商人的儿子．4岁随父亲举家迁至美国,父亲在美国经商期间将其寄宿在亲戚家．中小学期间的迈克尔逊表现平平,没有人会将他与日后美国的第一个物理学诺贝尔奖得主联想在一起．后来父亲又将他寄宿在学校的校长家里,看来这位校长启蒙了小迈克尔逊对科学的兴趣．在这位校长的鼓励下,迈克尔逊参加了海军的入学考试,笔试通过,面试却没有．于是,年轻的迈克尔逊决定带着一封国会议员给他写的推荐信,跋山涉水从内华达州前往华盛顿的白宫,1868年,他到达华盛顿,见到了格兰特(Grant)总统,格兰特惊讶于这个少年的惊人毅力,在格兰特的斡旋下,小迈克尔逊终于踏进了海军学院的大门．

图1

迈克尔逊21岁从美国海军学院毕业．如图1所示,是迈克尔逊的肖像——一位身着军装的物理学家．1873年毕业后留校任基础课老师,1879年转到航海年历局工作,协助这个局的局长纽科姆(S·Newcomb)对光速进行测定．

总之,在1879年之前,除了给人留下惊人毅力的印象外,实在是看不出迈克尔逊有能干出一番大事业的任何迹象．

2 一封大洋彼岸的来信

光的传播是一个简单又不简单的话题．“以太”的假说是为了解释光在真空中的传播这一事实,认为光必须有一个载体才能传播而提出来的．这一观点的最早提出是在笛卡尔1644年出版的《哲学原理》一书中,并且指出,以太是充满整个空间的特殊物质,真空中没有空气,但却有这种无所不入的“以太”．[3]

光既然是一种波,就一定要有一种载体．光能通过万籁俱寂的虚空,证明虚空中充满着这样的载体——它们是无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性物质．

因此,寻找“以太”就成了当时物理学界的前沿课题．人们首先想到的是利用相对运动的方式来证明以太的存在．关于光和运动物体的速度相加减的观念确实能够找到一些启示,例如,1842年多普勒(Doppler)从波动理论得出了这样的结论:“当光源和观察者相互接近时观察到的振动频率会增加,相互离开时观察到的振动频率就减少”．

通过对多普勒效应的类比,麦克斯韦在他撰写的《大英百科全书》中的《以太》词条中写到:“如果可以在地面上从光由一个地点到另一个地点所经历的时间测光速,那么我们就可以比较相反方向所测光速,来确定以太相对于地球的速度……然而增加的时间仅仅占整个传播时间的亿分之一,所以难以观察”．[4]

受到丹麦的天文学家罗莫(Olaf Romer)测光速的启发．1879年3月19日麦克斯韦写信给美国航海历书局的拖德(D.P.Todd)信中提及到通过地球公转来找寻地球相对以太的漂移,即验证是否存在“以太风”的问题．恰巧这封信被刚刚入职的一位新职员看到,这个新职员的名字叫做迈克尔逊．

3 一个屡次“失败”的实验

麦克斯韦的信件极大地激励了这位27岁的年轻人,迈克尔逊想到一个办法,如果充满宇宙的以太是静止的,那么地球在以太中运动时,在地球上看来,以太就像风一样,迎面吹来．因此,顺着以太风一起运动的光束会被以太风带着走,而逆着以太风运动的光束应该走的更慢．[5]

他经过深入的思考终于构思出了一个叫做干涉仪的实验装置,灵敏度达到了麦克斯韦所要求的量级——亿分之一．然而,迈克尔逊才刚刚完成了初步的实验,这台干涉仪还未成型,他就接到了赴欧洲留学的安排．而他的富商岳父海明威(Heminway)资助了他2000美元,[6]这使得迈克尔逊的实验得以继续．

1880年至欧洲进修,师从亥姆霍兹(Helmholtz)．他在柏林大学的亥姆霍兹实验室,利用德国的光学仪器生产的发达条件,创造性地进行了干涉仪实验．他的想法是将来自光源的光利用半透镜分成相互垂直的两路,各自在一定的距离的镜子上反射,使返回的两路光线通过半透镜再次平行,然后观察所产生的条纹．

根据理论预测,当整个仪器转过90°后,干涉条纹应该出现0.4个条纹的移动．然而实验的结果并不理想．迈克耳逊觉得可能是因为身在在闹市区的柏林振动干扰太大的缘故．

于是1881年4月将实验地点改到波兹坦天文台的地下室内．然而,实验的结果依然不尽人意．——几乎看不到干涉条纹的移动．接二连三的失败,令迈克尔逊有些许心灰意冷,一度产生放弃继续实验的念头．此后,迈克尔逊将精力和兴趣转到了光速测量的改进实验上．

4 一生献给光学测量

1867年,海军天文台的纽科姆建议重做傅科(Foucault)的实验．1879年3月,美国国会决定拨款5000美元作为纽科姆指导下的实验经费．[7]在纽科姆的邀请下,迈克尔逊从海军学院转到海军航海历书局工作．与纽科姆初次相遇的迈克尔逊或许不曾想到,今后50年的年华都将献给光学测量．

1881年,迈克尔逊在一系列“失败”实验后,开始转而研究对光速的测定．回到美国后,受聘于克利夫兰的凯斯学院的物理教授．迈克尔逊于1882年在俄亥俄州的克利夫兰的凯斯学院对光速进行了测量．迈克尔逊与纽科姆合作,改进了傅科的实验方法,观察一直持续到1882年的秋天,选择在春夏秋季最好的时候．只有在日出后一小时或日落前一小时的时候,大气条件才能使他们得到狭缝的稳定的像．一共做了504组测量,其中纽科姆测量了276组,迈克尔逊测了140组,剩下的88组由其他人测量．[8]基于此,纽科姆算出光速应该为299860km/s,迈克尔逊算出光速应该为299853km/s．

1926年迈克尔逊将旋转镜法的测量准确程度提高到4km/s．他测出从加利福尼亚的威尔逊山和安东尼奥山之间70公里的长距离来回所需的时间,从而得到光速为299796±4km/s,这是当时最精确的测定值,很快就成为光速的公认值．

从1879年初次与纽科姆相识,到1926年,在近50年的岁月里,迈克尔逊乐此不疲地对光速测量实验进行不断地改进．在他的有生之年,他一直是光速测定的国际中心人物,他自己在不断刷新自己创下的记录．

5 一朵小小的乌云

1884年,威廉·汤姆孙(开尔文勋爵)和瑞利(W.Strutt)访问美国的巴尔的摩,并进行一些列的演讲．听讲座的迈克尔逊在会后与汤姆孙及瑞利交流．在交流中谈到了迈克尔逊所作的实验．汤姆孙和瑞利都鼓励迈克耳孙再做这个实验．[9]

迈克尔逊在1881年的实验中存在计算失误,实验装置的精度也不够高,所以还不能就此否定以太．瑞利将洛伦兹提出的修改意见转告给迈克尔逊,并且劝他以更高的精度重复1881年的实验．

瑞利的劝告,极大地增加了迈克尔逊的勇气．

1887年3月6日迈克尔逊在俄亥俄州的克利夫兰写信回复瑞利:“我绝不会对我的实验感到满意……我反复地试图引起科学界的朋友对这个徒劳无益的实验的兴趣,我从不发表修改意见的原因是我对实验的灰心(我对于承认这一点感到惭愧),可是您的来信又一次点燃了我的热情,并促使我立刻开始这项工作”.[10]

1887年7月,迈克尔逊找到西部预科大学化学教授莫雷(E.W.Morlry)一起进行了实验的改进．在这个实验中,为了提高精度狠下了一番功夫．他们首先改进了仪器装置,用多块反射镜经8次来回反射,使光路长达11m．[11]另外装置不用木质托架,而是固定在边长为25cm, 厚1.5cm的正方形的石板上．把这块石板安装在圆形的基座上,而圆形基座浸在装满水银的金属圆筒中．于是,整个装置都浮在水银上,可以及其灵活地转动．

尽管做了如此多的改进,可是迈克尔逊和莫雷还是没有观测到条纹的移动．他们一共观测了4天,得到的曲线比预期值小得多,如图2所示,是中午观测的曲线,虚线代表理论值的八分之一．从图形可以肯定:即使由于地球与以太之间的相对运动会使得条纹产生位移,这位移不可能大于条纹间距的0.01．

图2

根据理论推算,条纹位移最大应该为0.4个条纹间距．这使他们非常失望,原来还打算在不同季节进行观测,这个想法也打消了．迈克尔逊——莫雷实验表明:地球上没有以太风．迈克尔逊将这一实验结果发表在美国著名的《Science》杂志1887年第11期上．[11]

迈克尔逊和莫雷获得的实验结果引起了物理学界的震动．因此引导不少物理学家在不同时间、不同地点重复类似的实验,一直到1930年,历时数十年之久,但实验都得出了同样的结果．

6 一把意外发明的高精刻度尺

俗话说,无心插柳柳成荫．迈克尔逊和莫雷测定“以太漂移速度”的实验虽然“失败”了,但却无意间创造了一把精度可以达到四亿分之一米的测长仪器．利用光谱学和干涉计量技术,可以将长度的物质标准转换为非物质标准．这样漂亮的成果,这样高的精度使得迈克尔逊一举成名．

1892年迈克尔逊受邀到巴黎国际度量衡局,用他发明的干涉仪测定了巴黎的米原器的长度等于镉红线波长的1553163.5个波长,找到了一种非物质的长度测量标准．

为表彰他在“精密光学仪器和利用这些仪器进行光学度量”研究工作中的卓越成绩,迈克尔逊被授予1907年度的诺贝尔物理学奖．

7 一场激动人心的物理学变革

1900年4月27日,开尔文在《十九世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的长篇讲话中,认为经典物理学是万里晴空,但却出现了两朵“乌云,其中一朵就是迈克尔逊——莫雷实验的零结果”．[1]开尔文相信,地平线上的这两朵小小的乌云会很快消散．

然而,他们根本不是很快就会消散的云朵,恰恰相反,它们却渐渐地扩大开来,在物理学上引发一场暴风雨．这场暴风雨迫使人们重新研究物理学的几个根本性原理,对原子和以太的观念也不得不做出根本的改变．[9]一场人才辈出的科学革命即将再次上演．

1892年荷兰物理学家洛伦兹提出“收缩假设”来解释“以太漂移”实验的零结果．同年洛伦兹发表了《麦克斯韦的电磁理论及其对运动物体的应用》[9]的论文,着手研究运动物体的电动力学问题．从1892年到1904年,洛伦兹探讨了相互作匀速运动的参考系中坐标变换式和电磁场变换式,经过十多年的努力他得到了洛伦兹变换式．

庞加莱敏锐地预感到一种新的力学即将出现,他断言:“也许我们应该建立一门新的力学,对这门力学我们只能窥见它的一鳞半爪,在这门力学中,惯性随着速度的增加而增加,而增加光速也将变成一个不可逾越的界限．”

《相对论的发展史》一文中记录了爱因斯坦在普林斯顿的一次谈话,当有人问及“即使没有您建立它,狭义相对论的出现也不会再等多久,因为庞加莱已经很接近构建狭义相对论的那些东西了”,爱因斯坦回答道“是的,这说的对”．[12]

1905年建立狭义相对论的

历史条件已经成熟,走到狭义相对论门前的人中有洛伦兹、庞加莱、爱因斯坦．然而引路人其实是迈克尔逊．迈克尔逊——莫雷实验与爱因斯坦的相对论之间的关系是复杂的,历史上看是间接的．但是迈克尔逊的实验对洛伦兹、菲兹杰拉德(Fitzgerald)、庞加莱、汤姆孙、洛奇(Lodge)、拉莫尔以及1900年左右其它理论物理学家们的影响却是毫无疑问的,也是十分直接的．[6]

1907年迈克尔逊凭借在光学领域的干涉仪以及度量学中的贡献获得诺贝尔奖,这是美国物理科学史上的“首金”．1910—1911年迈克尔逊担任美国科学促进会主席,1920年,迈克尔逊开始研究将干涉方法应用在天文学上．1923—1927年担任美国科学院院长．迈克尔逊一生中被25个学会选为名誉会员,被授予11个名誉学位,接受了17枚奖章．多个国家发行邮票纪念迈克尔逊,例如瑞典(1967年发行)、科摩罗群岛(1977年发行)、冈比亚(1988年发行)、马尔加什(1993年发行)等等[13]．1929年,美国光学学会举办了以迈克尔逊为主题的年会,以纪念他献身科学事业50周年．

1931年5月9日迈克尔逊因脑溢血于加利福尼亚逝世,终年79岁．

迈克尔逊从不满足已达到的精度,总是不断改进,反复实验,孜孜不倦,精益求精,整整花了半个世纪的时间,最后在一次精心设计的光学测定过程中,不幸因脑溢血而去世,后来由他的同事发表了这次测量结果．以迈克尔逊的名义发表的最后一篇论文名为《以光波作为测量标尺来探测无穷大和无穷小》,他确实是将毕生的精力献给了他挚爱的光学测量．

“所有的事情只要有兴趣,肯定能够成功”——迈克尔逊．