测不出“以太” 迈克尔孙

测不出“以太” 迈克尔孙 测不出“以太” 迈克尔孙 测不出“以太”——迈克尔孙 迈克尔孙 迈克尔孙(Albert Abraham Michelson，1852—1931)，美国物理学家，因为精密光学仪器的设计和借助这些仪器进行的光谱学和计量学的研究工作做出的贡献获得1907年的诺贝尔物理学奖。他是著名的实验物理学家，以精密测量光的速度和以空前精密度进行以太漂移实验而闻名于世。他发现的以他的名字命名的干涉仪至今还有广泛的应用。曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席，美国科学院院长;还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员。 迈克尔孙1852年12月19日出生于普鲁士和波兰之间有争议的地带斯特列罗(现属波兰)，4岁时，随双亲经纽约和巴拿马迁居到旧金山。其父亲先在加州，后到内华达州的弗吉尼亚城作了淘金热矿工中的商人。迈克尔孙小学六年级后寄宿在旧金山的亲戚家，以后又寄宿到旧金山的男子中学校长布雷德利的家中。看来布雷德利引导了小迈克尔孙对科学发生了兴趣，发现并勉励他在实验方面的才能。在布雷德利的建议下，迈克尔孙参加了美国海军军官学校的州内选拔。但是，在学业考试后有三个孩子同列第一名，另一人被选派入学。小迈克尔孙决心持他所在地区的一位众议院议员的一封推荐信去白宫申诉。1869年他来到华盛顿，见到了格兰特总统，获得格兰特总统命令，去安纳波利斯报到。 迈克尔孙在1873年应届毕业后，到海上进行了几次巡航;随后重被任命到海军军官学校当物理科学教师。1877年4月10日，迈克尔孙与出生于纽约一个富裕家庭的海明威(M.Heminway)结婚。 1878年，迈克尔孙在教授物理课时，对改进在地面上测量光速的傅科法产生了兴趣。1878年7月，迈克尔孙从岳父那里获得了2000美元的赠款，得以改进旋镜装置来完善他的实验。这是在斐索、傅科、考纽之后的第四次地面光 1878—1879年迈克尔速测量。航海历书局局长纽科姆对他的工作产生兴趣。 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中与纽科姆合作，对光速的测量作了进一步改进。1880—1882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，在海德堡跟随昆开学习，在巴黎跟随考纽、马斯卡特和李普曼等人学习。 1880—1881年冬季，迈克尔孙在亥姆霍兹的实验室工作，他想到一种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与汉胥公司的资金，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称“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。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。仪器本身极其灵敏，而且灵活多用，但是波特尔和后来洛伦兹所指出的实验设计上的误差，结合零结果本身，以及在理论上什么是“绝对速度”的一些困难，使得后来迈克尔孙认为实验是失败的。于是菲涅耳关于普遍静止以太的假说和斯托克斯关于天体光行差的假说都受到了怀疑。 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。迈克尔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光的传播现象。不久，为了解释为什么在地面上迈克尔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.汤姆孙(后称开尔文勋爵)、费兹杰惹以及其他一些人的兴趣。 1881年迈克尔孙从现役退伍，次年到俄亥俄州克利夫兰市新成立的凯斯应用科学学院任职。在那里，他建立起改进了的仪器，用以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年迈克尔孙与西里舍夫大学的莫雷(Edward Williams Morley，1838—1923)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.汤姆孙、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”实验做得很好，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，迈克尔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，用以减小转动摩擦。1887年7月迈克尔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。尽管他们很快忘记了失望，可是那些理论家，特别是费兹杰惹、拉莫尔、洛伦兹和庞加莱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。 1889年迈克尔孙接受了新的聘任，迁到马萨诸塞州伍舍斯特新建立的克拉克大学。与此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米尺。迈克尔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1553163.5个波长。这个项目是如此地成功，如此地精确，竟因此使迈克尔孙闻名全球。 1893年迈克尔孙转到新成立的芝加哥大学担任物理系主任。他在那里开始对天文物理光谱学发生兴趣。他设计并安装了阶梯分光镜、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。显然，他被人们公认为美国最突出 的实验物理学家之一，1899年受邀到哈佛大学作演讲，演讲内容于1903年以《光波及其应用》为名在芝加哥出版。 正当爱因斯坦于1905年发表狭义相对论之际，迈克尔孙却由于原先揽在身上的工作和接受荣誉而忙得不能多加注意。迈克尔孙的实验工作和爱因斯坦的相对论理论之间的关系是复杂的，在历史上二者的关系是间接的。但是他的以太漂移试验在1900年前后对洛伦兹、费兹杰惹、庞加莱、W.汤姆孙、洛奇、拉莫尔以及其他理论家具有影响是没有多大问的，而且是很直接的。虽然学者们一直在争论这个经典以太漂移实验的作用，但是迈克尔孙自己在晚年仍然在提:“可爱的以太”。他在1927年的最后一本书里写道，相对论已被“普遍接受”，但他自己却仍持怀疑态度。 20世纪20年代初，迈克尔孙开始把更多的时间用在加利福尼亚的威尔逊山、帕萨迪那和加州理工学院。除了讲课，10年间他的主要工作是在完善为了生产更好的光栅的划线机上。但是芝加哥大学的行政职务也是他的重大负担。在做完地球刚性实验之后，他与盖尔一起又接着在芝加哥附近进行了一次精心的实验来探测地球转动对光速的影响。将干涉方法用于天文问题的另外一些研究导致了1920年为霍克尔的100英寸(2.54m)望远镜建造有名的测星干涉仪，用它测量猎户座α(参宿四)的惊人的角直径，获得它是一个对角为0.047"弧度的圆盘，也就是大约直径为2.4亿英里(3.86×108km)。另外，在迈克尔孙监督下，为两山峰之间测量光速铺平道路，在南加利福尼亚进行了一些考察并进行了一次大地测量。从威尔逊山到圣伽辛托(SanJacinto)山之间的测量(82英里或132km)在1925年由于烟雾而被迫撤消，从威尔逊山到圣安东尼奥(SanAntonio)山之间的测量(22英里或 35.4 km)于 1926年完成，所得结果保持为历来光学测量中的最好结果之一。这期间，威尔逊山观象台台长黑尔将迈克尔孙的朋友和他在凯斯大学的继任人密勒请到南加利福尼亚。密勒曾和莫雷一起在1900--1906年间进行过其他的以太漂移试验，他在声学方面成就卓越。给密勒的任务是完善原来的迈克尔孙-莫雷实验，在6000英尺(1829m)高处和在全年度进行测量。几经周折，1925--1926年完成了这项工作。密勒在美国物理学会的主席退职演说中宣称他终于发现太阳系的绝对速度是以大约200 km/s的速度奔向天龙星座头，这使意见分歧的同行，有的惊异，有的欢欣。这一挑战激起了迈克尔孙又重新开展以太漂移试验。与皮斯及皮尔逊合作又制造了几台非常精致的干涉仪，从1926年到1928年，一共进行了三轮实验，可是 都没有得到什么结果。不论是迈克尔孙还是20世纪20年代后期的任何一位实验家都没有能够证实密勒的微小但肯定的结果。这对于爱因斯坦的相对论无疑是一次重大的支持。 1931年5月9日迈克尔孙在最后一次光速测量实验过程中发生几次中风之后于美国加利福尼亚州的帕萨迪纳逝世。