撥開天空的烏云
——紀念將畢生獻給光學測量的A.A.邁克爾遜

田 川

(重慶市第八中學校，重慶 沙坪壩 400030)

1905年6月,德國著名的《物理學年鑒》雜志的編輯收到了一篇“怪異”的來稿,再三斟酌后發表在了當年9月的第4篇第17卷上．[2]這篇名為《論動體的電動力學》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時物理學領域的一朵烏云——“以太漂移”的相關實驗．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,父親在美國經商期間將其寄宿在親戚家．中小學期間的邁克爾遜表現平平,沒有人會將他與日后美國的第一個物理學諾貝爾獎得主聯想在一起．后來父親又將他寄宿在學校的校長家里,看來這位校長啟蒙了小邁克爾遜對科學的興趣．在這位校長的鼓勵下,邁克爾遜參加了海軍的入學考試,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,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院的大門．

圖1

邁克爾遜21歲從美國海軍學院畢業．如圖1所示,是邁克爾遜的肖像——一位身著軍裝的物理學家．1873年畢業后留校任基礎課老師,1879年轉到航海年歷局工作,協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《哲學原理》一書中,并且指出,以太是充滿整個空間的特殊物質,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．

因此,尋找“以太”就成了當時物理學界的前沿課題．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論:“當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]

受到丹麥的天文學家羅莫(Olaf Romer)測光速的啟發．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來找尋地球相對以太的漂移,即驗證是否存在“以太風”的問題．恰巧這封信被剛剛入職的一位新職員看到,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,以太就像風一樣,迎面吹來．因此,順著以太風一起運動的光束會被以太風帶著走,而逆著以太風運動的光束應該走的更慢．[5]

他經過深入的思考終于構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．

1880年至歐洲進修,師從亥姆霍茲(Helmholtz)．他在柏林大學的亥姆霍茲實驗室,利用德國的光學儀器生產的發達條件,創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,然后觀察所產生的條紋．

根據理論預測,當整個儀器轉過90°后,干涉條紋應該出現0.4個條紋的移動．然而實驗的結果并不理想．邁克耳遜覺得可能是因為身在在鬧市區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．然而,實驗的結果依然不盡人意．——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,一度產生放棄繼續實驗的念頭．此后,邁克爾遜將精力和興趣轉到了光速測量的改進實驗上．

4 一生獻給光學測量

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下的實驗經費．[7]在紐科姆的邀請下,邁克爾遜從海軍學院轉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測量．

1881年,邁克爾遜在一系列“失敗”實驗后,開始轉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,紐科姆算出光速應該為299860km/s,邁克爾遜算出光速應該為299853km/s．

1926年邁克爾遜將旋轉鏡法的測量準確程度提高到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,這是當時最精確的測定值,很快就成為光速的公認值．

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告給邁克爾遜,并且勸他以更高的精度重復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瑞利:“我絕不會對我的實驗感到滿意……我反復地試圖引起科學界的朋友對這個徒勞無益的實驗的興趣,我從不發表修改意見的原因是我對實驗的灰心(我對于承認這一點感到慚愧),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科大學化學教授莫雷(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8次來回反射,使光路長達11m．[11]另外裝置不用木質托架,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生位移,這位移不可能大于條紋間距的0.01．

圖2

根據理論推算,條紋位移最大應該為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．邁克爾遜將這一實驗結果發表在美國著名的《Science》雜志1887年第11期上．[11]

邁克爾遜和莫雷獲得的實驗結果引起了物理學界的震動．因此引導不少物理學家在不同時間、不同地點重復類似的實驗,一直到1930年,歷時數十年之久,但實驗都得出了同樣的結果．

6 一把意外發明的高精刻度尺

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．利用光譜學和干涉計量技術,可以將長度的物質標準轉換為非物質標準．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,找到了一種非物質的長度測量標準．

為表彰他在“精密光學儀器和利用這些儀器進行光學度量”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獎．

7 一場激動人心的物理學變革

1900年4月27日,開爾文在《十九世紀熱和光的動力學理論上空的烏云》的長篇講話中,認為經典物理學是萬里晴空,但卻出現了兩朵“烏云,其中一朵就是邁克爾遜——莫雷實驗的零結果”．[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,在物理學上引發一場暴風雨．這場暴風雨迫使人們重新研究物理學的幾個根本性原理,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革命即將再次上演．

1892年荷蘭物理學家洛倫茲提出“收縮假設”來解釋“以太漂移”實驗的零結果．同年洛倫茲發表了《麥克斯韋的電磁理論及其對運動物體的應用》[9]的論文,著手研究運動物體的電動力學問題．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變換式和電磁場變換式,經過十多年的努力他得到了洛倫茲變換式．

龐加萊敏銳地預感到一種新的力學即將出現,他斷言:“也許我們應該建立一門新的力學,對這門力學我們只能窺見它的一鱗半爪,在這門力學中,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．”

《相對論的發展史》一文中記錄了愛因斯坦在普林斯頓的一次談話,當有人問及“即使沒有您建立它,狹義相對論的出現也不會再等多久,因為龐加萊已經很接近構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系是復雜的,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領域的干涉儀以及度量學中的貢獻獲得諾貝爾獎,這是美國物理科學史上的“首金”．1910—1911年邁克爾遜擔任美國科學促進會主席,1920年,邁克爾遜開始研究將干涉方法應用在天文學上．1923—1927年擔任美國科學院院長．邁克爾遜一生中被25個學會選為名譽會員,被授予11個名譽學位,接受了17枚獎章．多個國家發行郵票紀念邁克爾遜,例如瑞典(1967年發行)、科摩羅群島(1977年發行)、岡比亞(1988年發行)、馬爾加什(1993年發行)等等[13]．1929年,美國光學學會舉辦了以邁克爾遜為主題的年會,以紀念他獻身科學事業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,反復實驗,孜孜不倦,精益求精,整整花了半個世紀的時間,最后在一次精心設計的光學測定過程中,不幸因腦溢血而去世,后來由他的同事發表了這次測量結果．以邁克爾遜的名義發表的最后一篇論文名為《以光波作為測量標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測量．

“所有的事情只要有興趣,肯定能夠成功”——邁克爾遜．