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阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克耳孙

Albert_Abraham_Michelson

阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克耳孙(英语:Albert Abraham Michelson,1852年12月19日~1931年5月9日),“迈克耳孙”又译“迈克尔逊”,波兰裔美国藉物理学家,以测量光速而闻名,尤其是迈克耳孙-莫雷实验。1907年诺贝尔物理学奖获得者。

 

生平简介

 

迈克耳孙出生在波兰的小镇史翠诺(Strzelno),(当时是普鲁士帝国的波兹南省的史翠诺),一个犹太商人的儿子。在他还只有两岁时全家移民美国,跟随着作为商人的父亲,他的成长大致上经历了加利福尼亚的矿业小镇Murphy、内华达州的弗吉尼亚城。

1869年,迈克耳孙进入位于马里兰州首府安纳波利斯的美国海军学院,并于1873年毕业。迈克耳孙早先就着迷于科学特别是光速的测量问题,1881年海军委派他到欧洲学习两年,1883年,他接受了一个位于俄亥俄州克利夫兰的凯斯西储大学的邀请,成为那里的物理教授,并专心研究改进干涉仪。1887年他利用这种干涉仪,和爱德华·莫雷共同进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验,这个试验排除了以太的存在。后来,他又转向利用天文光学干涉测量法测量恒星的直径和双星分光片的测量。

1889年开始,他在马萨诸塞州伍斯特的克拉克大学任教授。1892年被指派到一个全新的大学——芝加哥大学任物理学系第一任主任。1907年,迈克耳孙因为“发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究”(for his optical precision instruments and the spectroscopic and metrological investigations carried out with their aid)而成为美国第一个诺贝尔物理学奖获得者。同年,他获得了科普利奖章(Copley Medal),1916年,获得了亨利·德雷珀奖章,1923年获得了海军天文协会金质奖章。

月球上的一个环形山是以他的名字命字。

迈克耳孙于1931年5月9日逝世于加利福尼亚的帕萨迪纳。

Michelson_-_Experimental_Determination_of_the_Speed_of_Light,_conclusion.

迈克耳孙 (Albert Abraban Michelson,1852-1931)美国物理学家。1852 年12月19日出生于普鲁士斯特雷诺(现属波兰),后随父母移居美国,1837年毕业于美国海军学院,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,1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。

1869年被选拔到美国安纳波利斯海军学院学习。毕业后曾任该校物理和化学讲师。

1880~1882年被批准到欧洲攻读研究生,先后到柏林大学、海德堡大学、法兰西学院学习。

1883年任俄亥俄州克利夫兰市开斯应用科学学院物理学教授。1889年成为麻省伍斯特的克拉克大学的物理学教授,在这里着手进行计量学的一项宏伟计划。

1892年改任芝加哥大学物理学教授,后任该校第一任物理系主任,在这里他培养了对天文光谱学的兴趣。

1910~1911年担任美国科学促进会主席。1923~1927年担任美国科学院院长。

1931年5月9日因脑溢血于加利福尼亚州的帕萨迪纳逝世,终年79岁。

 

科学研究

 

早在1877年,还是美国海军办事员时,迈克耳孙就计划利用改进了的光学和长基线,采用莱昂·傅科的旋转镜片方法测量光速。1878年,他实施了一些用改进了大型仪器的测量,这一时期的工作引起了西蒙·纽康的注意,这位海军天文台台长已经有自己的探索性的计划。1879年,迈克耳孙于加入位于华盛顿特区的海军天文台之前,公布了他的测量结果 299,910±50 km/s。开始了他们的漫长的专业协作和友谊之路。

纽康,得出了自己的结论 299,860±30 km/s,迈克耳孙不断改进他的方法,终于在1883年发表了新的测量结果 299,853±60 km/s,与他导师的数字非常接近。 1920年到1921年间,迈克耳孙和皮斯测量出比太阳还大的星体直径,这在人类史上首次。他们在威尔逊山天文台应用天文光学干涉量法测量出红巨星参宿四的直径。这些对恒星直径和双星分光片的测量大大增加了迈克耳孙在以后的生活中产出。

迈克耳孙主要从事光学和光谱学方面的研究,他以毕生精力从事光速的精密测量,在他的有生之年,一直是光速测定的国际中心人物。他发明了一种用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪(迈克耳孙干涉仪),在研究光谱线方面起着重要的作用。1887年他与美国物理学家E.W.莫雷合作,进行了著名的迈克耳孙-莫雷 实验,这是一个最重大的否定性实验,它动摇了经典物理学的基础。他研制出高分辨率的光谱学仪器,经改进的衍射光栅和测距仪。迈克耳孙首倡用光波波长作为长度基准,提出在天文学中利用干涉效应的可能性,并且用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。

他创造的迈克耳孙干涉仪对光学和近代物理学是一巨大的贡献。它不但可用来测定微小长度、折射率和光波波长等,也是现代光学仪器如付立叶光谱议等仪器的重要组成部分。他与英国化学家莫雷(1838~1923年)在1887年利用这种干涉仪,作了著名的“迈克耳孙—莫雷实验,这一实验结果否定了以太的存在,从而奠定了相对论的实验基础。1926年用多面旋镜法比较精密地测定了光的速度。

由于创制了精密的光学仪器和利用这些仪器所完成的光谱学和基本度量学研究,迈克耳孙于1907年获诺贝尔物理学奖金。

Albert_Abraham_Michelson_1918

 

传奇人生

 

迈克耳孙(Albet Abraham Michelson,1852~1931)美国物理学家。1852年12月19日生于普鲁士的斯特雷诺。童年随父母随居美国。受旧金山男子中学校长的引导,迈克耳孙对科学特别是光学和声学发生了兴趣,并展示了自己的实验才能。1869年被选拔到美国安纳波利斯海军学院学习。毕业后曾任该校物理和化学讲师。1880~1882年被批准到欧洲攻读研究生,先后到柏林大学、海德堡大学、法兰西学院学习。1883年任俄亥俄州克利夫兰市开斯应用科学学院物理学教授。1889年成为麻省伍斯特的克拉克大学的物理学教授,在这里着手进行计量学的一项宏伟计划。1892年改任芝加哥大学物理学教授,后任该校第一任物理系主任,在这里他培养了对天文光谱学的兴趣。1910~1911年担任美国科学促进会主席。1923~1927年担任美国科学院院长。1931年5月9日因脑溢血于加利福尼亚州的帕萨迪纳逝世,终年79岁。

Michelson_-_Experimental_Determination_of_the_Speed_of_Light,_p_1.

迈克耳孙的名字是和迈克耳孙干涉仪及迈克耳孙-莫雷实验联系在一起的,实际上这也是迈克耳孙一生中最重要的贡献。在迈克耳孙的时代,人们认为光和一切电磁波必须借助绝对静止的“以太”进行传播,而“以太”是否存在以及是否具有静止的特性,在当时还是一个谜。有人试图测量地球对静止“以太”的运动所引起的“以太风”,来证明以太的存在和具有静止的特性,但由于仪器精度所限,遇到了困难。麦克斯韦曾于1879年写信给美国航海年历局的D.P.托德,建议用罗默的天文学方法研究这一问题。迈克耳孙知道这一情况后,决心设计出一种灵敏度提高到亿分之一的方法,测出与有关的效应。1881年他在柏林大学亥姆霍兹实验室工作,为此他发明了高精度的迈克耳孙干涉仪,进行了著名的以太漂移实验。他认为若地球绕太阳公转相对于以太运动时,其平行于地球运动方向和垂直地球运动方向上,光通过相等距离所需时间不同,因此在仪器转动90°时,前后两次所产生的干涉必有0.04条条纹移动。1881年迈克耳孙用最初建造的干涉仪进行实验,这台仪器的光学部分用蜡封在平台上,调节很不方便,测量一个数据往往要好几小时。实验得出了否定结果。1884年在访美的瑞利、开尔文等的鼓励下,他和化学家莫雷(Morley,Edward Williams,1838~1923)合作,提高干涉仪的灵敏度,得到的结果仍然是否定的。1887年他们继续改进仪器,光路增加到11米,花了整整5天时间,仔细地观察地球沿轨道与静止以太之间的相对运动,结果仍然是否定的。这一实验引起科学家的震惊和关注,与热辐射中的“紫外灾难”并称为“科学史上的两朵乌云”。随后有10多人前后重复这一实验,历时50年之久。对它的进一步研究,导致了物理学的新发展。

迈克耳孙的另一项重要贡献是对光速的测定。早在海军学院工作时,由于航海的实际需要,他对光速的测定开始感兴趣,1879年开始光速的测定工作。他是继菲佐、傅科、科纽之后,第四个在地面测定光速的。他得到了岳父的赠款和政府的资助,使他能够有条件改进实验装置。他用正八角钢质棱镜代替傅科实验中的旋转镜,由此使光路延长600米。返回光的位移达133毫米,提高了精度,改进了傅科的方法。他多次并持续进行光速的测定工作,其中最精确的测定值是在1924~1926年,在南加利福尼亚山间22英里长的光路上进行的,其值为(299796±4)km/s。迈克耳孙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速测定过程中,不幸因中风而去世,后来由他的同事发表了这次测量结果。他确实是用毕生的精力献身于光速的测定工作。

迈克耳孙在基本度量方面也作出了贡献。1893年,他用自己设计的干涉仪测定了红镉线的波长,实验说明当温度为15℃气压在760毫米汞柱产生的压强时,红镉线在干燥空气中的波长为6438.4696埃,于是,他提出用此波长为标准长度,来核准基准米尺,用这一方法订出的基准长度经久不变。因此它被世界所公认,一直沿用到1960年。

1920年迈克耳孙和天文学家F.G.皮斯合作,把一台20英尺的干涉仪放在100英寸反射望远镜后面,构成了恒星干涉仪,用它测量了恒星参宿四(即猎户座一等变光星)的直径,它的直径相当大,线直径为2.50×108英里,约为太阳直径的300倍。此方法后被用来测定其他恒星的直径。

迈克耳孙的一生以制作精密的光学仪器和具有精湛的实验技术而著称于世,由此他获得了许多荣誉。他是许多科学院和学术团体的成员,曾得到许多大学的荣誉博士学位。1889年获得伦福德奖章;1900年获得巴黎世界奖学金的巨额奖金;1904年获得罗马的马特等奖章;1907年获得伦敦皇家学会授予的科普利奖章;1907年因创制精密的光学仪器并用于一系列光谱学及基本度量学研究中的卓越贡献,获得诺贝尔物理奖,成为获此奖的第一个美国人。迈克耳孙的一生,被25个学会选为荣誉会员,被授予11个荣誉学位,共获得17枚奖章。他的著作有《光的速度》(1902)、《光波及其用途》(1903)、《光学研究》(1927)。

A monument at United States Naval Academy marks the path of Michelson's experiments measuring the speed of light.

 

迈克耳孙-莫雷实验

 

迈克耳孙-莫雷实验是为了观测"以太"是否存在而作的一个实验,是在1887年由阿尔伯特·迈克耳孙与爱德华·莫雷合作,在美国的克利夫兰进行的。

实验装置示意图

 

实验原理

 

当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生,引起人们去探讨“以太风”存在与否。迈克耳孙-莫雷实验就是在这个基础上进行的。

当“以太风”的速度为0时,两束光应同时到达,因而相位相同;如“以太风”速度不为零,即装置相对以太运动,则两列光波相位不同。

假设装置在以太中向右以速度v运动,且从部分镀银的玻璃片到两面镜子的距离为L,那么向右的那一束光在向右的过程中相对装置速度为c − v,花费的时间t1 = L / (c − v),返回时速度为c + v,时间t2 = L / (c + v)。所以总的时间是

而对于向上的那一束光,设它到达镜子所需的时间为t3,在这段时间里镜子向右移动了vt3,所以光走过的路程是一个直角三角形的斜边,于是有

由此可得

而返回时间与此相同,所以总时间

所以两束光的到达时间是不同的,根据这个实验应该能测量出地球通过以太的速度。

红色激光造成的迈克耳孙干涉环

 

实验结果

 

莫雷不确信他自己的结论,继续与达通·米勒做更多的实验。米勒制作了更大的实验设备,最大的安装于威尔逊山天文台的臂长32米(有效长度)的仪器。为了避免实体墙可能造成的对以太风的阻挡,他使用了帆布为主体的流动墙。他每次旋转设备都会观测到不同的小偏移,不论是恒星日还是年。他的测量值仅达到~10 km/s,而不是从地球轨道运动所期待的~30 km/s。他仍然不确信这是由于局部拖拽造成的,他没有尝试进行详细的解释。

肯尼迪后来在威尔逊山上作了实验,米勒发现1/10的漂移,并且不受季节影响。米勒的发现当时认为非常重要,并于1928年在一份会议报告上与迈克耳孙、洛伦兹等人讨论。普遍认为需要更多的实验来检验米勒的结果。洛伦兹认可这个结论,造成漂移的原因不符合他的以太说或者爱因斯坦的狭义相对论。爱因斯坦没有出席会议,但是感觉这个实验结果恐怕是实验误差。后来的实验没能重新获得米勒的结果,现代实验的精度推翻了此实验结论。

实验者 年份 臂长 (米) 期待的条纹偏移 测到的条纹偏移 实验精度 V以太的上限。
迈克耳孙(Michelson) 1881 1.2 0.04 0.02
迈克耳孙(Michelson)和莫雷(Morley) 1887 11.0 0.4 < 0.01 8 km/s
莫雷(Morley)和米勒(Miller) 1902–1904 32.2 1.13 0.015
米勒(Miller) 1921 32.0 1.12 0.08
米勒(Miller) 1923–1924 32.0 1.12 0.03
米勒(Miller,阳光) 1924 32.0 1.12 0.014
托马斯查克(Tomascheck,星光) 1924 8.6 0.3 0.02
米勒(Miller) 1925–1926 32.0 1.12 0.088
肯尼迪(Kennedy,威尔逊山天文台) 1926 2.0 0.07 0.002
伊林渥斯(Illingworth) 1927 2.0 0.07 0.0002 0.0006 1 km/s
皮卡德(Piccard)和斯塔赫尔(Stahel) 1927 2.8 0.13 0.006
迈克耳孙(Michelson)et al. 1929 25.9 0.9 0.01
琼斯(Joos) 1930 21.0 0.75 0.002

 

近代版的迈克耳孙-莫雷实验变得司空见惯。激光和激微波通过让光线在充满高能原子的精心调整的空间内来回反射,以放大光线。这样的有效长度可达千米。还有一个好处,同一光源在不同光线角度产生同样的相位,给干涉计增加了额外精确度。

第一个这样的实验是由查尔斯·H·汤斯(Charles H. Townes)做的,第一个激微波制作者之一。他们1958年的实验把漂移的上限,包括可能的实验误差,降低到仅仅30m/s。在1974年通过三角形内修剪工具精确的激光重复实验把这个值降低到0.025m/s,并且在一个光臂上放上玻璃来测试拖拽效果。在1979年Brillet-Hall实验把人以方向的上限降低到30m/s,但是双向因素降低到0.000001 m/s (i.e.,静止或者夹带以太)。Hils和Hall在经过一年的重复实验之后,于1990年公布,各向异性的极限降低到2×10^-13。

实验结果证明,不论地球运动的方向同光的射向一致或相反,测出的光速都相同,在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。当时迈克耳孙因此认为这个结果表明以太是随着地球运动的。

 

对实验结果的解释

 

乔治·斐兹杰惹(George FitzGerald)在1892年对迈克耳孙-莫雷实验提出了一种解释。他指出如果物质是由带电荷的粒子组成,一根相对于以太静止的量杆的长度,将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定,而量杆相对于以太在运动时,量杆就会缩短,因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场,从而改变这些粒子之间的间隔平衡。这一来,迈克耳孙-莫雷实验所使用的仪器,当它指向地球运动的方向时就会缩短,而缩短的程度正好抵消光速的减慢。

有些人曾经试行测量乔治·斐兹杰惹的缩短值,但都没有成功。这类实验表明乔治·斐兹杰惹的缩短,在一个运动体系内是不能被处在这个运动体系内的观察者测量到的,所以他们无法判断他们体系内的绝对速度,光学的定律和各种电磁现象是不受绝对速度的影响的。再者,动系中的短缩,乃是所有物体皆短缩,而动系中的人,是无法测量到自己短缩值的。

1904年,荷兰物理学家洛伦兹提出了著名的洛伦兹变换,用于解释迈克耳孙-莫雷实验的结果。他提出运动物体的长度会收缩,并且收缩只发生运动方向上。如果物体静止时的长度为L0,当它以速度v以平行于长度的方向运动时,长度收缩为

引入这条规律后,成功地解释了实验结果。(参见:洛伦兹变换)

1905年,爱因斯坦在抛弃以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立,而是一个统一的四维时空整体,并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中,整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。结合狭义相对性原理和上述时空的性质,也可以推导出洛伦兹变换。

里茨在1908年设想光速是依赖于光源的速度的,企图以此解释迈克耳孙-莫雷实验。但是德·希特于1931年在莱顿大学指出,如果是这样的话,那么一对相互环绕运动的星体将会出现表观上的异常运动,而这种现象并没有观察到。由此也证明了爱因斯坦提出的光速和不受光源速度和观察者的影响是正确的,而且既然没有一种静止的以太传播光波振动,牛顿关于光速可以增加的看法就必须抛弃。

有人认为,爱因斯坦在提出狭义相对论的过程中,曾经受到过迈克耳孙-莫雷实验结果的影响。John Stachel在《爱因斯坦和以太漂移实验》一文中指出,有间接的有力证据表明,爱因斯坦在1889年一定知道迈克耳孙-莫雷实验,并从1889~1901年间,持续感兴趣于设计光学实验,以检查地球穿行于以太的假定运动。

爱因斯坦在1922年,在《我是怎样创造了相对论》中说道:“那时我想用某种方法演示地球相对以太的运动……,在给自己提出这一问题时,我没有怀疑过以太的存在和地球的运动。于是,我预料如果把光源发出的光线用镜子反射,则当它的传播方向是平行或反平行于地球的运动方向时,应该具有不同的能量。所以我提出使用两个热电偶,利用测量它们所生热量的差值,来证实这一点。”

 

对实验结果的再验证

 

1893年洛奇在伦敦发现,光通过两块快速转动的巨大钢盘时,速度并不改变,表明钢盘并不把以太带着转。对恒星光行差的观测也显示以太并不随着地球转动。

人们在不同地点、不同时间多次重复了迈克耳孙-莫雷实验,并且应用各种手段对实验结果进行验证,精度不断提高。除光学方法外,还有使用其他技术进行的类似实验。如1958年利用微波激射所做的实验得到地球相对以太的速度上限是3×10^-2 km/s,1970年利用穆斯堡尔效应所做的实验得到此速度的上限只有5×10^-5 km/s。综合各种实验结果,人们基本可以判定地球不存在相对以太的运动。

 

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