鄭慶華，王忠全

(淮南師范學(xué)院 物理與電子信息系，安徽 淮南 232038)

引言

邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)是各本科院校普遍開設(shè)的一個(gè)光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，用雙光束分振幅干涉的原理對各物理量進(jìn)行測量，是現(xiàn)階段世所公認(rèn)的精度最高的一種檢測手段。邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)以其精巧的設(shè)計(jì)，較高的精確度，豐富和精彩的物理思想而為人們所青睞，有人說：從未有這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)苋绱艘鹑藗兊呐d趣。我們試圖從另一個(gè)層面，來挖掘這個(gè)實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的物理思想，以期給學(xué)生更多的啟迪，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真正目的。

一、經(jīng)典性

邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，其經(jīng)典性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）歷史地位的重要性

邁克爾遜曾用雙光束分振幅的干涉原理，做了3個(gè)聞名于世的實(shí)驗(yàn)：邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)、光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)和利用光譜波長標(biāo)定米標(biāo)準(zhǔn)原器。

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。1881年美國物理學(xué)家邁克爾遜（A Michlson，1852-1931）為測量光速，依據(jù)分振幅產(chǎn)生雙光束實(shí)現(xiàn)干涉原理，精心設(shè)計(jì)了一種干涉測量裝置——邁克爾遜干涉儀，這種干涉儀能以極高的精度來測量長度的微小變化，并可觀察和分析各種干涉現(xiàn)象。邁克爾遜-莫雷（Morley，1838-1923）利用這種干涉儀完成了相對論研究中有重要意義的“以太”漂移實(shí)驗(yàn)，徹底否定了“以太”的存在，解決了當(dāng)時(shí)關(guān)于“以太”的爭論并確定光速為定值，為愛因斯坦提出相對論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在最初的邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的研究中，是用納光的波長作為實(shí)用的長度標(biāo)準(zhǔn)，但是納黃光為典型的雙線結(jié)構(gòu)，因此決定去尋找細(xì)銳且沒有精細(xì)結(jié)構(gòu)的譜線，由此開始了對不同的元素發(fā)射譜的研究，邁克爾遜用自己發(fā)明的干涉儀，將待測的條紋與遵守已知規(guī)律變化的光強(qiáng)對照，觀察到的曲線再與理論曲線相對比，以確定譜線的結(jié)構(gòu)。隨著研究的深入，他發(fā)現(xiàn)了氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及水銀和鉈光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，邁克爾遜的這一發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)代原子理論的發(fā)展和研究起到了重要的推動(dòng)作用，在此基礎(chǔ)上邁克爾遜還運(yùn)用自己發(fā)明的“可見度曲線法”，對譜線形狀與壓力、譜線的展寬與分子自身運(yùn)動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，取得了豐碩的成果，為現(xiàn)代分子物理學(xué)、原子光譜和激光光譜學(xué)等新興學(xué)科的發(fā)展奠定了理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

標(biāo)定米標(biāo)準(zhǔn)原器。1892年春，邁克爾遜發(fā)現(xiàn)國際米原器的長度即1米等于1553163.5倍的紅鎘譜線的波長（6438.4722A），國際計(jì)量局決定以鎘的波長測定國際米原器的長度，這是人類首次獲得了一種永遠(yuǎn)毀不了的長度基準(zhǔn)，邁克爾遜的工作為人類獲得的長度的統(tǒng)一基準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，使人類對長度基準(zhǔn)的要求上了一個(gè)臺(tái)階。邁克爾遜也因他對光學(xué)精密儀器，及用之于光譜學(xué)和計(jì)量學(xué)研究所做的貢獻(xiàn)，而榮獲1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)①郭奕玲,沈慧君：《諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一百年》,上海：上海科學(xué)普及出版社，2002年。。正是由于上述的幾個(gè)方面，使得邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)的發(fā)展史上占據(jù)了重要的位置。

（二）原理的簡明性

邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)原理簡明，只利用了一個(gè)分束板就很好地解決了相干光問題，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)了不起的成就。光路見圖1：

圖1 邁克爾遜實(shí)驗(yàn)干涉原理圖

從光源S發(fā)出的一束光射到一平行平面板G1上，G1即為分束板，板后表面鍍有半反射膜，這個(gè)半反射膜將一束光分為兩束光，一束為反射光1'，一束為透射光2'，當(dāng)一束光以45°角射向G1時(shí)，被它分為互相垂直的兩束光，它們分別垂直射到反射鏡M1、M2上，經(jīng)反射后這兩束光再回到G1的半反射膜上，又重新匯集成一束光，由于反射光1″和透射光2″，來自同一光源為兩相干光束，因此，我們可在E方向上觀察到清晰的干涉條紋，G2為補(bǔ)償板與 G1平行，補(bǔ)償透射光的光程差，保證 1′，2′兩束光在玻璃中的光程完全相等，這就是雙光束干涉原理的基礎(chǔ)，簡潔明了②馬葭生，宦強(qiáng)：《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》，上海：華東師范大學(xué)出版社，2006年。。

（三）設(shè)計(jì)思想的巧妙性

有人說邁克爾遜設(shè)計(jì)思想的巧妙性在于:他利用平面鏡改變光路，從而用同一束光產(chǎn)生干涉變?yōu)榭赡?，很好地解決了相干光問題，在當(dāng)時(shí)還沒有單色性、穩(wěn)定性好的激光問世之前，他的這樣一種設(shè)計(jì)理念，成為利用振幅分割法研究光干涉的一個(gè)代表。

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)M1與M2嚴(yán)格垂直就可觀察白光，鈉燈，汞燈，激光等的等傾干涉條紋，實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生讀移動(dòng)500個(gè)條紋時(shí)反射M2鏡的移動(dòng)距離△d，根據(jù)公式λ=就是我們常做的定量測波長實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以精確到10-5mm③李平：《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006年。。同時(shí)還可讓學(xué)生觀察比較激光條紋和汞燈條紋的異同；圓條紋與直條紋的異同；從圓條紋的涌出與縮進(jìn)判斷兩反能鏡的相對位置等。甚至可以要求學(xué)生取下近似眼鏡(或者帶上遠(yuǎn)視眼鏡)，去觀察汞燈圓條紋，以判斷條紋的定域，這種巧妙的設(shè)計(jì)思想，使邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容極其充實(shí)，既有定性觀察又有定量測量，既有粗測，又可進(jìn)行精確測量，既有確實(shí)性又有探索性，其中卻不乏巧妙之處，因此人們稱邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)典的基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，是大學(xué)物理必修的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

二、衍生性

邁克爾遜干涉儀在近代物理和計(jì)量技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，邁克爾遜干涉儀已逐漸被更完善的現(xiàn)代干涉儀取代，但它的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思想仍然是許多干涉儀的基礎(chǔ)。

最早受邁克爾遜干涉儀設(shè)計(jì)思想影響的是謝爾蓋（Seorge）。邁克爾遜干涉儀最早是用來測量地球相對于以太運(yùn)動(dòng)的。邁克爾遜利用此儀器沒有發(fā)現(xiàn)地球相對于以太的任何運(yùn)動(dòng)，但此干涉儀的設(shè)計(jì)思想即利用沿不同方向傳播的光的干涉物體，相對于慣性系運(yùn)動(dòng)速度的精確測量，給人們留下了深刻的印象，其中Seorge就是最早領(lǐng)會(huì)邁克爾遜干涉儀設(shè)計(jì)思想的人，他利用閉合環(huán)路中沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向上傳播的光的干涉,測量物體旋轉(zhuǎn)角速度，成功設(shè)計(jì)了一臺(tái)Sagnac干涉儀，于1913年在高速旋轉(zhuǎn)的桌子上進(jìn)行了演示并獲得了成功。隨著1960年激光技術(shù)的出現(xiàn)，Sagnac干涉儀的應(yīng)用揭開了新的篇章，為激光陀螺的誕生奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，激光陀螺由于沒有傳統(tǒng)陀螺中的運(yùn)動(dòng)部件，避免了因機(jī)械應(yīng)力及摩擦引出的測量誤差，被廣泛用于民用和軍用領(lǐng)域，成為提高導(dǎo)航精度的關(guān)鍵元件。

近代物理學(xué)的發(fā)展，邁克爾遜干涉儀更是為其精密測量，導(dǎo)航定位提供了廣闊的發(fā)展空間。由邁克爾遜干涉儀衍生出的泰曼格林干涉儀、F-P干涉儀、量子干涉儀都是在邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上衍化而來，在生產(chǎn)、科研、軍事、航空等領(lǐng)域發(fā)揮了更大的作用。

三、啟發(fā)性

挖掘邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的物理思想，我們可以從中獲得很多啟發(fā)，這對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都有益處。

（一）堅(jiān)強(qiáng)的毅力

邁克爾遜一生取得了無數(shù)的成就和榮耀，這來源于其孜孜不倦的追求，在科學(xué)的道路上從來就沒有平坦的大道，只有不畏艱辛勇于攀登的人才能到達(dá)光輝的頂點(diǎn)。邁克爾遜的一生中不知遇到過多少困難和挫折，但他從不退縮，在對干涉儀的設(shè)計(jì)和研究中，他也經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗，但他研究目標(biāo)明確，無論遇到多大的壓力，都不會(huì)改變朝著既定目標(biāo)努力的決心，他有著充分的信心和堅(jiān)強(qiáng)的毅力，什么也阻擋不了他，他清楚地知道自己應(yīng)當(dāng)做什么和怎樣去做，這才使得他能設(shè)計(jì)出邁克爾遜干涉儀，并在以太漂浮實(shí)驗(yàn)中推翻了占統(tǒng)治地位的以太假說，并不斷地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，為相對論的提出奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)，他的這種為獲得成功而堅(jiān)韌不拔的堅(jiān)強(qiáng)毅力，仍然是我們今天學(xué)習(xí)的榜樣。

（二）科學(xué)的方法

明確的目的，堅(jiān)強(qiáng)的毅力，再加上科學(xué)的方法，這是他取得成功的要素所在。實(shí)驗(yàn)中邁克爾遜經(jīng)常能以他獨(dú)到的眼光，找出解決問題的方法。麥克斯韋曾提出：因光與地球運(yùn)動(dòng)方向平行和垂直時(shí)，通過相同距離所用時(shí)間差別極其微小,以至于無法測量,但邁克爾遜卻找到了解決問題的方法，他用干涉條紋移動(dòng)代替時(shí)間差測量方法,開了微小量放大法的實(shí)驗(yàn)方法的先河。

趙凱華曾在《物理學(xué)照亮世界》中說到：“物理學(xué)是唯一一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精密科學(xué)。物理學(xué)中有一套最全面最有效的科學(xué)方法,實(shí)踐證明,把這套方法運(yùn)用到自然科學(xué)的許多領(lǐng)域,乃至社會(huì)科學(xué),都是卓有成效的。在教育中,對于學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng),物理課有著無可替代的作用?！雹仝w凱華：《物理學(xué)照亮世界》，北京：北京大學(xué)出版社，2005年。正是基于此，我們能從這個(gè)歷史上著名的實(shí)驗(yàn)中分析、挖掘、歸納、提煉出共同的，帶有普遍性的物理思想，總結(jié)出系統(tǒng)的規(guī)律，以拓展學(xué)生的思維，開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)他們的探索和創(chuàng)新精神，這正是實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正目的之所在。