田 川

(重慶市第八中學(xué)校，重慶 沙坪壩 400030)

1905年6月,德國(guó)著名的《物理學(xué)年鑒》雜志的編輯收到了一篇“怪異”的來(lái)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(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的作者就是后來(lái)大名鼎鼎的愛(ài)因斯坦．在這篇文章中提出的觀(guān)點(diǎn)多年以后被人們稱(chēng)為——狹義相對(duì)論．利用這篇文章中的新理論可以解釋縈繞在當(dāng)時(shí)物理學(xué)領(lǐng)域的一朵烏云——“以太漂移”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)．這個(gè)“以太飄移”實(shí)驗(yàn)就是著名的邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)．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(jiān)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(gè)猶太商人的兒子．4歲隨父親舉家遷至美國(guó),父親在美國(guó)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(méi)有人會(huì)將他與日后美國(guó)的第一個(gè)物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主聯(lián)想在一起．后來(lái)父親又將他寄宿在學(xué)校的校長(zhǎng)家里,看來(lái)這位校長(zhǎng)啟蒙了小邁克爾遜對(duì)科學(xué)的興趣．在這位校長(zhǎng)的鼓勵(lì)下,邁克爾遜參加了海軍的入學(xué)考試,筆試通過(guò),面試卻沒(méi)有．于是,年輕的邁克爾遜決定帶著一封國(guó)會(huì)議員給他寫(xiě)的推薦信,跋山涉水從內(nèi)華達(dá)州前往華盛頓的白宮,1868年,他到達(dá)華盛頓,見(jiàn)到了格蘭特(Grant)總統(tǒng),格蘭特驚訝于這個(gè)少年的驚人毅力,在格蘭特的斡旋下,小邁克爾遜終于踏進(jìn)了海軍學(xué)院的大門(mén)．

圖1

邁克爾遜21歲從美國(guó)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(gè)局的局長(zhǎng)紐科姆(S·Newcomb)對(duì)光速進(jìn)行測(cè)定．

總之,在1879年之前,除了給人留下驚人毅力的印象外,實(shí)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(lái)信

光的傳播是一個(gè)簡(jiǎn)單又不簡(jiǎn)單的話(huà)題．“以太”的假說(shuō)是為了解釋光在真空中的傳播這一事實(shí),認(rèn)為光必須有一個(gè)載體才能傳播而提出來(lái)的．這一觀(guān)點(diǎn)的最早提出是在笛卡爾1644年出版的《哲學(xué)原理》一書(shū)中,并且指出,以太是充滿(mǎn)整個(gè)空間的特殊物質(zhì),真空中沒(méi)有空氣,但卻有這種無(wú)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(guò)萬(wàn)籟俱寂的虛空,證明虛空中充滿(mǎn)著這樣的載體——它們是無(wú)所不在、絕對(duì)靜止、極其稀薄的剛性物質(zhì)．

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

通過(guò)對(duì)多普勒效應(yīng)的類(lèi)比,麥克斯韋在他撰寫(xiě)的《大英百科全書(shū)》中的《以太》詞條中寫(xiě)到:“如果可以在地面上從光由一個(gè)地點(diǎn)到另一個(gè)地點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間測(cè)光速,那么我們就可以比較相反方向所測(cè)光速,來(lái)確定以太相對(duì)于地球的速度……然而增加的時(shí)間僅僅占整個(gè)傳播時(shí)間的億分之一,所以難以觀(guān)察”．[4]

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

3 一個(gè)屢次“失敗”的實(shí)驗(yàn)

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

他經(jīng)過(guò)深入的思考終于構(gòu)思出了一個(gè)叫做干涉儀的實(shí)驗(yàn)裝置,靈敏度達(dá)到了麥克斯韋所要求的量級(jí)——億分之一．然而,邁克爾遜才剛剛完成了初步的實(shí)驗(yàn),這臺(tái)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(shí)驗(yàn)得以繼續(xù)．

1880年至歐洲進(jìn)修,師從亥姆霍茲(Helmholtz)．他在柏林大學(xué)的亥姆霍茲實(shí)驗(yàn)室,利用德國(guó)的光學(xué)儀器生產(chǎn)的發(fā)達(dá)條件,創(chuàng)造性地進(jìn)行了干涉儀實(shí)驗(yàn)．他的想法是將來(lái)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(xiàn)通過(guò)半透鏡再次平行,然后觀(guān)察所產(chǎn)生的條紋．

根據(jù)理論預(yù)測(cè),當(dāng)整個(gè)儀器轉(zhuǎn)過(guò)90°后,干涉條紋應(yīng)該出現(xiàn)0.4個(gè)條紋的移動(dòng)．然而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不理想．邁克耳遜覺(jué)得可能是因?yàn)樯碓谠隰[市區(qū)的柏林振動(dòng)干擾太大的緣故．

于是1881年4月將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)改到波茲坦天文臺(tái)的地下室內(nèi)．然而,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果依然不盡人意．——幾乎看不到干涉條紋的移動(dòng)．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(shí)驗(yàn)的念頭．此后,邁克爾遜將精力和興趣轉(zhuǎn)到了光速測(cè)量的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)上．

4 一生獻(xiàn)給光學(xué)測(cè)量

1867年,海軍天文臺(tái)的紐科姆建議重做傅科(Foucault)的實(shí)驗(yàn)．1879年3月,美國(guó)國(guó)會(huì)決定撥款5000美元作為紐科姆指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)．[7]在紐科姆的邀請(qǐng)下,邁克爾遜從海軍學(xué)院轉(zhuǎn)到海軍航海歷書(shū)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(xiàn)給光學(xué)測(cè)量．

1881年,邁克爾遜在一系列“失敗”實(shí)驗(yàn)后,開(kāi)始轉(zhuǎn)而研究對(duì)光速的測(cè)定．回到美國(guó)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(duì)光速進(jìn)行了測(cè)量．邁克爾遜與紐科姆合作,改進(jìn)了傅科的實(shí)驗(yàn)方法,觀(guān)察一直持續(xù)到1882年的秋天,選擇在春夏秋季最好的時(shí)候．只有在日出后一小時(shí)或日落前一小時(shí)的時(shí)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(cè)量,其中紐科姆測(cè)量了276組,邁克爾遜測(cè)了140組,剩下的88組由其他人測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確程度提高到4km/s．他測(cè)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(zhǎng)距離來(lái)回所需的時(shí)間,從而得到光速為299796±4km/s,這是當(dāng)時(shí)最精確的測(cè)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(shí),到1926年,在近50年的歲月里,邁克爾遜樂(lè)此不疲地對(duì)光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷地改進(jìn)．在他的有生之年,他一直是光速測(cè)定的國(guó)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(kāi)爾文勛爵)和瑞利(W.Strutt)訪(fǎng)問(wèn)美國(guó)的巴爾的摩,并進(jìn)行一些列的演講．聽(tīng)講座的邁克爾遜在會(huì)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(shí)驗(yàn)．湯姆孫和瑞利都鼓勵(lì)邁克耳孫再做這個(gè)實(shí)驗(yàn)．[9]

邁克爾遜在1881年的實(shí)驗(yàn)中存在計(jì)算失誤,實(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)．

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(xiě)信回復(fù)瑞利:“我絕不會(huì)對(duì)我的實(shí)驗(yàn)感到滿(mǎn)意……我反復(fù)地試圖引起科學(xué)界的朋友對(duì)這個(gè)徒勞無(wú)益的實(shí)驗(yàn)的興趣,我從不發(fā)表修改意見(jiàn)的原因是我對(duì)實(shí)驗(yàn)的灰心(我對(duì)于承認(rèn)這一點(diǎn)感到慚愧),可是您的來(lái)信又一次點(diǎn)燃了我的熱情,并促使我立刻開(kāi)始這項(xiàng)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)．在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,為了提高精度狠下了一番功夫．他們首先改進(jìn)了儀器裝置,用多塊反射鏡經(jīng)8次來(lái)回反射,使光路長(zhǎng)達(dá)11m．[11]另外裝置不用木質(zhì)托架,而是固定在邊長(zhǎng)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(mǎn)水銀的金屬圓筒中．于是,整個(gè)裝置都浮在水銀上,可以及其靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)．

盡管做了如此多的改進(jìn),可是邁克爾遜和莫雷還是沒(méi)有觀(guān)測(cè)到條紋的移動(dòng)．他們一共觀(guān)測(cè)了4天,得到的曲線(xiàn)比預(yù)期值小得多,如圖2所示,是中午觀(guān)測(cè)的曲線(xiàn),虛線(xiàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)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(gè)條紋間距．這使他們非常失望,原來(lái)還打算在不同季節(jié)進(jìn)行觀(guān)測(cè),這個(gè)想法也打消了．邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)表明:地球上沒(méi)有以太風(fēng)．邁克爾遜將這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在美國(guó)著名的《Science》雜志1887年第11期上．[11]

邁克爾遜和莫雷獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起了物理學(xué)界的震動(dòng)．因此引導(dǎo)不少物理學(xué)家在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)重復(fù)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn),一直到1930年,歷時(shí)數(shù)十年之久,但實(shí)驗(yàn)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(huà)說(shuō),無(wú)心插柳柳成蔭．邁克爾遜和莫雷測(cè)定“以太漂移速度”的實(shí)驗(yàn)雖然“失敗”了,但卻無(wú)意間創(chuàng)造了一把精度可以達(dá)到四億分之一米的測(cè)長(zhǎng)儀器．利用光譜學(xué)和干涉計(jì)量技術(shù),可以將長(zhǎng)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(guó)際度量衡局,用他發(fā)明的干涉儀測(cè)定了巴黎的米原器的長(zhǎng)度等于鎘紅線(xiàn)波長(zhǎng)的1553163.5個(gè)波長(zhǎng),找到了一種非物質(zhì)的長(zhǎng)度測(cè)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(jìn)行光學(xué)度量”研究工作中的卓越成績(jī),邁克爾遜被授予1907年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

7 一場(chǎng)激動(dòng)人心的物理學(xué)變革

1900年4月27日,開(kāi)爾文在《十九世紀(jì)熱和光的動(dòng)力學(xué)理論上空的烏云》的長(zhǎng)篇講話(huà)中,認(rèn)為經(jīng)典物理學(xué)是萬(wàn)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(shí)驗(yàn)的零結(jié)果”．[1]開(kāi)爾文相信,地平線(xiàn)上的這兩朵小小的烏云會(huì)很快消散．

然而,他們根本不是很快就會(huì)消散的云朵,恰恰相反,它們卻漸漸地?cái)U(kuò)大開(kāi)來(lái),在物理學(xué)上引發(fā)一場(chǎng)暴風(fēng)雨．這場(chǎng)暴風(fēng)雨迫使人們重新研究物理學(xué)的幾個(gè)根本性原理,對(duì)原子和以太的觀(guān)念也不得不做出根本的改變．[9]一場(chǎng)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(lái)解釋“以太漂移”實(shí)驗(yàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)物體的應(yīng)用》[9]的論文,著手研究運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題．從1892年到1904年,洛倫茲探討了相互作勻速運(yùn)動(dòng)的參考系中坐標(biāo)變換式和電磁場(chǎng)變換式,經(jīng)過(guò)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(mén)新的力學(xué),對(duì)這門(mén)力學(xué)我們只能窺見(jiàn)它的一鱗半爪,在這門(mén)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(gè)不可逾越的界限．”

《相對(duì)論的發(fā)展史》一文中記錄了愛(ài)因斯坦在普林斯頓的一次談話(huà),當(dāng)有人問(wèn)及“即使沒(méi)有您建立它,狹義相對(duì)論的出現(xiàn)也不會(huì)再等多久,因?yàn)辇嫾尤R已經(jīng)很接近構(gòu)建狹義相對(duì)論的那些東西了”,愛(ài)因斯坦回答道“是的,這說(shuō)的對(duì)”．[12]

1905年建立狹義相對(duì)論的

歷史條件已經(jīng)成熟,走到狹義相對(duì)論門(mén)前的人中有洛倫茲、龐加萊、愛(ài)因斯坦．然而引路人其實(shí)是邁克爾遜．邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)與愛(ài)因斯坦的相對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(wú)疑問(wèn)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(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng),這是美國(guó)物理科學(xué)史上的“首金”．1910—1911年邁克爾遜擔(dān)任美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)主席,1920年,邁克爾遜開(kāi)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(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)．邁克爾遜一生中被25個(gè)學(xué)會(huì)選為名譽(yù)會(huì)員,被授予11個(gè)名譽(yù)學(xué)位,接受了17枚獎(jiǎng)?wù)拢鄠€(gè)國(guó)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(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)舉辦了以邁克爾遜為主題的年會(huì),以紀(jì)念他獻(xiàn)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(mǎn)足已達(dá)到的精度,總是不斷改進(jìn),反復(fù)實(shí)驗(yàn),孜孜不倦,精益求精,整整花了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間,最后在一次精心設(shè)計(jì)的光學(xué)測(cè)定過(guò)程中,不幸因腦溢血而去世,后來(lái)由他的同事發(fā)表了這次測(cè)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(cè)量標(biāo)尺來(lái)探測(cè)無(wú)窮大和無(wú)窮小》,他確實(shí)是將畢生的精力獻(xiàn)給了他摯愛(ài)的光學(xué)測(cè)量．

“所有的事情只要有興趣,肯定能夠成功”——邁克爾遜．