撥開天空的烏云
——紀(jì)念將畢生獻給光學(xué)測量的A.A.邁克爾遜

田 川

(重慶市第八中學(xué)校，重慶 沙坪壩 400030)

1905年6月,德國著名的《物理學(xué)年鑒》雜志的編輯收到了一篇“怪異”的來稿,再三斟酌后發(fā)表在了當(dāng)年9月的第4篇第17卷上．[2]這篇名為《論動體的電動力學(xué)》的作者就是后來大名鼎鼎的愛因斯坦．在這篇文章中提出的觀點多年以后被人們稱為——狹義相對論．利用這篇文章中的新理論可以解釋縈繞在當(dāng)時物理學(xué)領(lǐng)域的一朵烏云——“以太漂移”的相關(guān)實驗．這個“以太飄移”實驗就是著名的邁克爾遜——莫雷實驗．本文要講的就是關(guān)于邁克爾遜的故事．

1 一位普通但又堅毅的少年

阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜(Albert Abrahan Michelson),1852年12月19日出生于普魯士,是一個猶太商人的兒子．4歲隨父親舉家遷至美國,父親在美國經(jīng)商期間將其寄宿在親戚家．中小學(xué)期間的邁克爾遜表現(xiàn)平平,沒有人會將他與日后美國的第一個物理學(xué)諾貝爾獎得主聯(lián)想在一起．后來父親又將他寄宿在學(xué)校的校長家里,看來這位校長啟蒙了小邁克爾遜對科學(xué)的興趣．在這位校長的鼓勵下,邁克爾遜參加了海軍的入學(xué)考試,筆試通過,面試卻沒有．于是,年輕的邁克爾遜決定帶著一封國會議員給他寫的推薦信,跋山涉水從內(nèi)華達州前往華盛頓的白宮,1868年,他到達華盛頓,見到了格蘭特(Grant)總統(tǒng),格蘭特驚訝于這個少年的驚人毅力,在格蘭特的斡旋下,小邁克爾遜終于踏進了海軍學(xué)院的大門．

圖1

邁克爾遜21歲從美國海軍學(xué)院畢業(yè)．如圖1所示,是邁克爾遜的肖像——一位身著軍裝的物理學(xué)家．1873年畢業(yè)后留校任基礎(chǔ)課老師,1879年轉(zhuǎn)到航海年歷局工作,協(xié)助這個局的局長紐科姆(S·Newcomb)對光速進行測定．

總之,在1879年之前,除了給人留下驚人毅力的印象外,實在是看不出邁克爾遜有能干出一番大事業(yè)的任何跡象．

2 一封大洋彼岸的來信

光的傳播是一個簡單又不簡單的話題．“以太”的假說是為了解釋光在真空中的傳播這一事實,認(rèn)為光必須有一個載體才能傳播而提出來的．這一觀點的最早提出是在笛卡爾1644年出版的《哲學(xué)原理》一書中,并且指出,以太是充滿整個空間的特殊物質(zhì),真空中沒有空氣,但卻有這種無所不入的“以太”．[3]

光既然是一種波,就一定要有一種載體．光能通過萬籟俱寂的虛空,證明虛空中充滿著這樣的載體——它們是無所不在、絕對靜止、極其稀薄的剛性物質(zhì)．

因此,尋找“以太”就成了當(dāng)時物理學(xué)界的前沿課題．人們首先想到的是利用相對運動的方式來證明以太的存在．關(guān)于光和運動物體的速度相加減的觀念確實能夠找到一些啟示,例如,1842年多普勒(Doppler)從波動理論得出了這樣的結(jié)論:“當(dāng)光源和觀察者相互接近時觀察到的振動頻率會增加,相互離開時觀察到的振動頻率就減少”．

通過對多普勒效應(yīng)的類比,麥克斯韋在他撰寫的《大英百科全書》中的《以太》詞條中寫到:“如果可以在地面上從光由一個地點到另一個地點所經(jīng)歷的時間測光速,那么我們就可以比較相反方向所測光速,來確定以太相對于地球的速度……然而增加的時間僅僅占整個傳播時間的億分之一,所以難以觀察”．[4]

受到丹麥的天文學(xué)家羅莫(Olaf Romer)測光速的啟發(fā)．1879年3月19日麥克斯韋寫信給美國航海歷書局的拖德(D.P.Todd)信中提及到通過地球公轉(zhuǎn)來找尋地球相對以太的漂移,即驗證是否存在“以太風(fēng)”的問題．恰巧這封信被剛剛?cè)肼毜囊晃恍侣殕T看到,這個新職員的名字叫做邁克爾遜．

3 一個屢次“失敗”的實驗

麥克斯韋的信件極大地激勵了這位27歲的年輕人,邁克爾遜想到一個辦法,如果充滿宇宙的以太是靜止的,那么地球在以太中運動時,在地球上看來,以太就像風(fēng)一樣,迎面吹來．因此,順著以太風(fēng)一起運動的光束會被以太風(fēng)帶著走,而逆著以太風(fēng)運動的光束應(yīng)該走的更慢．[5]

他經(jīng)過深入的思考終于構(gòu)思出了一個叫做干涉儀的實驗裝置,靈敏度達到了麥克斯韋所要求的量級——億分之一．然而,邁克爾遜才剛剛完成了初步的實驗,這臺干涉儀還未成型,他就接到了赴歐洲留學(xué)的安排．而他的富商岳父海明威(Heminway)資助了他2000美元,[6]這使得邁克爾遜的實驗得以繼續(xù)．

1880年至歐洲進修,師從亥姆霍茲(Helmholtz)．他在柏林大學(xué)的亥姆霍茲實驗室,利用德國的光學(xué)儀器生產(chǎn)的發(fā)達條件,創(chuàng)造性地進行了干涉儀實驗．他的想法是將來自光源的光利用半透鏡分成相互垂直的兩路,各自在一定的距離的鏡子上反射,使返回的兩路光線通過半透鏡再次平行,然后觀察所產(chǎn)生的條紋．

根據(jù)理論預(yù)測,當(dāng)整個儀器轉(zhuǎn)過90°后,干涉條紋應(yīng)該出現(xiàn)0.4個條紋的移動．然而實驗的結(jié)果并不理想．邁克耳遜覺得可能是因為身在在鬧市區(qū)的柏林振動干擾太大的緣故．

于是1881年4月將實驗地點改到波茲坦天文臺的地下室內(nèi)．然而,實驗的結(jié)果依然不盡人意．——幾乎看不到干涉條紋的移動．接二連三的失敗,令邁克爾遜有些許心灰意冷,一度產(chǎn)生放棄繼續(xù)實驗的念頭．此后,邁克爾遜將精力和興趣轉(zhuǎn)到了光速測量的改進實驗上．

4 一生獻給光學(xué)測量

1867年,海軍天文臺的紐科姆建議重做傅科(Foucault)的實驗．1879年3月,美國國會決定撥款5000美元作為紐科姆指導(dǎo)下的實驗經(jīng)費．[7]在紐科姆的邀請下,邁克爾遜從海軍學(xué)院轉(zhuǎn)到海軍航海歷書局工作．與紐科姆初次相遇的邁克爾遜或許不曾想到,今后50年的年華都將獻給光學(xué)測量．

1881年,邁克爾遜在一系列“失敗”實驗后,開始轉(zhuǎn)而研究對光速的測定．回到美國后,受聘于克利夫蘭的凱斯學(xué)院的物理教授．邁克爾遜于1882年在俄亥俄州的克利夫蘭的凱斯學(xué)院對光速進行了測量．邁克爾遜與紐科姆合作,改進了傅科的實驗方法,觀察一直持續(xù)到1882年的秋天,選擇在春夏秋季最好的時候．只有在日出后一小時或日落前一小時的時候,大氣條件才能使他們得到狹縫的穩(wěn)定的像．一共做了504組測量,其中紐科姆測量了276組,邁克爾遜測了140組,剩下的88組由其他人測量．[8]基于此,紐科姆算出光速應(yīng)該為299860km/s,邁克爾遜算出光速應(yīng)該為299853km/s．

1926年邁克爾遜將旋轉(zhuǎn)鏡法的測量準(zhǔn)確程度提高到4km/s．他測出從加利福尼亞的威爾遜山和安東尼奧山之間70公里的長距離來回所需的時間,從而得到光速為299796±4km/s,這是當(dāng)時最精確的測定值,很快就成為光速的公認(rèn)值．

從1879年初次與紐科姆相識,到1926年,在近50年的歲月里,邁克爾遜樂此不疲地對光速測量實驗進行不斷地改進．在他的有生之年,他一直是光速測定的國際中心人物,他自己在不斷刷新自己創(chuàng)下的記錄．

5 一朵小小的烏云

1884年,威廉·湯姆孫(開爾文勛爵)和瑞利(W.Strutt)訪問美國的巴爾的摩,并進行一些列的演講．聽講座的邁克爾遜在會后與湯姆孫及瑞利交流．在交流中談到了邁克爾遜所作的實驗．湯姆孫和瑞利都鼓勵邁克耳孫再做這個實驗．[9]

邁克爾遜在1881年的實驗中存在計算失誤,實驗裝置的精度也不夠高,所以還不能就此否定以太．瑞利將洛倫茲提出的修改意見轉(zhuǎn)告給邁克爾遜,并且勸他以更高的精度重復(fù)1881年的實驗．

瑞利的勸告,極大地增加了邁克爾遜的勇氣．

1887年3月6日邁克爾遜在俄亥俄州的克利夫蘭寫信回復(fù)瑞利:“我絕不會對我的實驗感到滿意……我反復(fù)地試圖引起科學(xué)界的朋友對這個徒勞無益的實驗的興趣,我從不發(fā)表修改意見的原因是我對實驗的灰心(我對于承認(rèn)這一點感到慚愧),可是您的來信又一次點燃了我的熱情,并促使我立刻開始這項工作”.[10]

1887年7月,邁克爾遜找到西部預(yù)科大學(xué)化學(xué)教授莫雷(E.W.Morlry)一起進行了實驗的改進．在這個實驗中,為了提高精度狠下了一番功夫．他們首先改進了儀器裝置,用多塊反射鏡經(jīng)8次來回反射,使光路長達11m．[11]另外裝置不用木質(zhì)托架,而是固定在邊長為25cm, 厚1.5cm的正方形的石板上．把這塊石板安裝在圓形的基座上,而圓形基座浸在裝滿水銀的金屬圓筒中．于是,整個裝置都浮在水銀上,可以及其靈活地轉(zhuǎn)動．

盡管做了如此多的改進,可是邁克爾遜和莫雷還是沒有觀測到條紋的移動．他們一共觀測了4天,得到的曲線比預(yù)期值小得多,如圖2所示,是中午觀測的曲線,虛線代表理論值的八分之一．從圖形可以肯定:即使由于地球與以太之間的相對運動會使得條紋產(chǎn)生位移,這位移不可能大于條紋間距的0.01．

圖2

根據(jù)理論推算,條紋位移最大應(yīng)該為0.4個條紋間距．這使他們非常失望,原來還打算在不同季節(jié)進行觀測,這個想法也打消了．邁克爾遜——莫雷實驗表明:地球上沒有以太風(fēng)．邁克爾遜將這一實驗結(jié)果發(fā)表在美國著名的《Science》雜志1887年第11期上．[11]

邁克爾遜和莫雷獲得的實驗結(jié)果引起了物理學(xué)界的震動．因此引導(dǎo)不少物理學(xué)家在不同時間、不同地點重復(fù)類似的實驗,一直到1930年,歷時數(shù)十年之久,但實驗都得出了同樣的結(jié)果．

6 一把意外發(fā)明的高精刻度尺

俗話說,無心插柳柳成蔭．邁克爾遜和莫雷測定“以太漂移速度”的實驗雖然“失敗”了,但卻無意間創(chuàng)造了一把精度可以達到四億分之一米的測長儀器．利用光譜學(xué)和干涉計量技術(shù),可以將長度的物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為非物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)．這樣漂亮的成果,這樣高的精度使得邁克爾遜一舉成名．

1892年邁克爾遜受邀到巴黎國際度量衡局,用他發(fā)明的干涉儀測定了巴黎的米原器的長度等于鎘紅線波長的1553163.5個波長,找到了一種非物質(zhì)的長度測量標(biāo)準(zhǔn)．

為表彰他在“精密光學(xué)儀器和利用這些儀器進行光學(xué)度量”研究工作中的卓越成績,邁克爾遜被授予1907年度的諾貝爾物理學(xué)獎．

7 一場激動人心的物理學(xué)變革

1900年4月27日,開爾文在《十九世紀(jì)熱和光的動力學(xué)理論上空的烏云》的長篇講話中,認(rèn)為經(jīng)典物理學(xué)是萬里晴空,但卻出現(xiàn)了兩朵“烏云,其中一朵就是邁克爾遜——莫雷實驗的零結(jié)果”．[1]開爾文相信,地平線上的這兩朵小小的烏云會很快消散．

然而,他們根本不是很快就會消散的云朵,恰恰相反,它們卻漸漸地擴大開來,在物理學(xué)上引發(fā)一場暴風(fēng)雨．這場暴風(fēng)雨迫使人們重新研究物理學(xué)的幾個根本性原理,對原子和以太的觀念也不得不做出根本的改變．[9]一場人才輩出的科學(xué)革命即將再次上演．

1892年荷蘭物理學(xué)家洛倫茲提出“收縮假設(shè)”來解釋“以太漂移”實驗的零結(jié)果．同年洛倫茲發(fā)表了《麥克斯韋的電磁理論及其對運動物體的應(yīng)用》[9]的論文,著手研究運動物體的電動力學(xué)問題．從1892年到1904年,洛倫茲探討了相互作勻速運動的參考系中坐標(biāo)變換式和電磁場變換式,經(jīng)過十多年的努力他得到了洛倫茲變換式．

龐加萊敏銳地預(yù)感到一種新的力學(xué)即將出現(xiàn),他斷言:“也許我們應(yīng)該建立一門新的力學(xué),對這門力學(xué)我們只能窺見它的一鱗半爪,在這門力學(xué)中,慣性隨著速度的增加而增加,而增加光速也將變成一個不可逾越的界限．”

《相對論的發(fā)展史》一文中記錄了愛因斯坦在普林斯頓的一次談話,當(dāng)有人問及“即使沒有您建立它,狹義相對論的出現(xiàn)也不會再等多久,因為龐加萊已經(jīng)很接近構(gòu)建狹義相對論的那些東西了”,愛因斯坦回答道“是的,這說的對”．[12]

1905年建立狹義相對論的

歷史條件已經(jīng)成熟,走到狹義相對論門前的人中有洛倫茲、龐加萊、愛因斯坦．然而引路人其實是邁克爾遜．邁克爾遜——莫雷實驗與愛因斯坦的相對論之間的關(guān)系是復(fù)雜的,歷史上看是間接的．但是邁克爾遜的實驗對洛倫茲、菲茲杰拉德(Fitzgerald)、龐加萊、湯姆孫、洛奇(Lodge)、拉莫爾以及1900年左右其它理論物理學(xué)家們的影響卻是毫無疑問的,也是十分直接的．[6]

1907年邁克爾遜憑借在光學(xué)領(lǐng)域的干涉儀以及度量學(xué)中的貢獻獲得諾貝爾獎,這是美國物理科學(xué)史上的“首金”．1910—1911年邁克爾遜擔(dān)任美國科學(xué)促進會主席,1920年,邁克爾遜開始研究將干涉方法應(yīng)用在天文學(xué)上．1923—1927年擔(dān)任美國科學(xué)院院長．邁克爾遜一生中被25個學(xué)會選為名譽會員,被授予11個名譽學(xué)位,接受了17枚獎?wù)拢鄠€國家發(fā)行郵票紀(jì)念邁克爾遜,例如瑞典(1967年發(fā)行)、科摩羅群島(1977年發(fā)行)、岡比亞(1988年發(fā)行)、馬爾加什(1993年發(fā)行)等等[13]．1929年,美國光學(xué)學(xué)會舉辦了以邁克爾遜為主題的年會,以紀(jì)念他獻身科學(xué)事業(yè)50周年．

1931年5月9日邁克爾遜因腦溢血于加利福尼亞逝世,終年79歲．

邁克爾遜從不滿足已達到的精度,總是不斷改進,反復(fù)實驗,孜孜不倦,精益求精,整整花了半個世紀(jì)的時間,最后在一次精心設(shè)計的光學(xué)測定過程中,不幸因腦溢血而去世,后來由他的同事發(fā)表了這次測量結(jié)果．以邁克爾遜的名義發(fā)表的最后一篇論文名為《以光波作為測量標(biāo)尺來探測無窮大和無窮小》,他確實是將畢生的精力獻給了他摯愛的光學(xué)測量．

“所有的事情只要有興趣,肯定能夠成功”——邁克爾遜．