纪念迈克尔逊 - 莫利实验100周年

[编者按]100年前，青年物理学家Michelson与化学家Morley合作，进行了一项测量地球通过“传光以太”速度的著名实验。这一实验是Michelson多年来以光学干涉仪工作的产物。它虽然得到零结果，却被公认为人类时空观念发生革命所必做的决定性实验。由于这一实验和其他重要测量工作，Michelson成为他所处时代最卓越的测量学家和实验物理学家，并且于1907年成为美国第一个诺贝尔科学奖的获奖者。

为纪念Michelson-Morley实验100周年，我们选择新近关于Michelson的两篇论文：其一介绍了他的作学生涯（特别是他的测量工作），其二描述了与他1^87年工、作有关的事件背景；论文作者都是现今美国权威的科学史家。

仅仅一百年前，对几乎所有各种仪器的特殊用法，有些人至少还能加以鉴赏，少数几个人甚至还能进行操作。这样少数人之一，在、物理光学领域中就是迈克尔逊（Albert Abraham Michelson），他是一位美国海军军官，主要因为他用干涉仪进行的玩耍似的光波工作，成为一位具有世界声望的实验家和卓越的测量大师。测量是他的情侣和缪司，由于他对所用的一切仪器“内脏”了解的执着追求，他的名字实际上就成了极端精确测量的同义词。

从1880年到1930年的半个世纪中，Michelson完善了他作为光学科学家的熟练技能，获得了一个世界上光学仪器最佳的实验操作者的名声。他主要是通过设计和研制那些总是更好、更准确和更精密的仪器与技巧，来测量极小和极大的波长、宽度、角和距离。他的仪器，后来称为“干涉仪”，经常得到他的改进以使之适应新的用途。他不重新创造它，而且在其操作原理被冠以他的名字以后，他也不独享专利或到市场销售它。

然而Michelson的干涉仪，却在1880年由科学仪器制造家Schmit和Haensch定型制造出来，成为第一次世界大战前后实验室和“高技术”工业的标准工具。正如Michelson本人在1902年所列举的，它已经得到大量应用：测量折射作用的指标，肥皂薄膜的厚度，膨胀系数和引力常数；检验均匀沥青的螺旋；测量光波本身；分析光谱线；测定标准波长；检验Zeeman效应；帮助天文测量；以及核对天文光行差，等等。

Michelson干涉仪的种种用途，远不如它在历史上作为基本仪器所起中心角色那样著名，那就是对发光以太或载光以太存在的“反证”。

Michelson及其干涉仪的方法的基本贡献，在广度和深度两方面都远远超过经典光学，直接推动了20世纪科学革命。强调这一点是重要的，即在19世纪末20世纪初，各种不可见光线都被扩展或被发现了——紫外的、红外的、放射波、X射线、放射物质的发射，甚至微波。对所有这些发现，干涉仪方法或早或晚都起了部分作用。辐射能量转换的电磁光谱被迅速填满了，1907年12月10日，瑞典皇家科学院把它的第七次诺贝尔物理奖授予Michelson——第一次给予一个科学领域的美国人。这在宣读奖词时就知道，那是必然的，十分恰当的'由于他的精密光学仪器以及另外进行的光谱学与计量学的研究。”在普朗克和爱因斯坦使理论物理学成为一门职业之前，Michelson就以一个世界声望的实验物理学家闻名了。

在他之前的光学

Michelson出生于1852年12月19日，普鲁士统治下波兰的斯特列泽诺。1855年下半年，他由犹太商人的双亲带到纽约城；1856年，家庭经由巴拿马搬到旧金山。当南北战争风暴返回东部地区时，他在加利福尼亚和内华达的矿区市镇度过他的孩童时代，并成长为一个有出息的学生。林肯总统被刺之后，他采用其中间名字Abraham（亚伯拉罕）。从1866到1869年，他在旧金山男子中学，在这里，校长布雷德利为照顾“对科学追求的伟大才能”，采取了把有前途的孩子提升为有造诣的青年的许多办法。在一个夏天，为争夺美国海军学院选拔内华达地区的一个位额失败之后，Michelson这雄心勃勃的年青人搭上了第一条由西到东横贯大陆铁路的一列火车，到白宫亲自为自己辩护。令人惊奇的是，他竟然成功地得到了总统格兰特批准的学院位额任命。这样，Michelson成为一名海军军官学院学员，他坚持下来并于1873年在安纳波利斯毕业，名列29班级的第9名，但光学课程名列第一，其他自然科学课程名列第二。

在一次休假、接着两年海上实习和乘船航行之后，海军少尉Michelson被派回海军学院担任物理和化学的教学职务。到了学院，他在海军中校W. T. 桑普森的领导下，以演示讲课开始了他在光学上的研究生涯，在讲课中，他试图用傅科的方法，用一个旋转镜去测定光速。这一期间，他与桑普森妻子的侄女玛格丽特 · 海明威结婚，他的第一个儿子也出生了。在学院的岁月里（1877—1878年），Michelson研究了公认的法国光学领袖们的作品。他很快找到了改进他们成果的若干方法。他在边远地区的孩童生活，他在旧金山的中学学习，他在海军学院所受的训练和同时得到的种种经验，现在都开始向他支付报偿了。

19世纪中叶，牛顿 - 惠更斯学说关于光的最终本性的争论，似乎有利于波动的、振动的或以太理论，而不利于微粒的、弹道的或发射理论。这有许多原因，最重要的是菲佐和傅科之间销魂夺魄的合作，然后竞争，他们第一次测定了光速，接着证明其速度在水中比在空气中要小，这一结果使波动说胜过微粒说。

伦敦的托马斯 · 扬和巴黎的菲涅耳，他们也分别通过研究干涉和横波运动，大大推进了光的波动理论。傅里叶和阿拉戈在澄清传导、辐射热和偏振现象上，也同样颇有影响。夫琅和费在20年代发展了光谱学；法拉第在40年代发展了电磁场理论的基础观念；而惠斯通在50年代发展了实验声学，光学和电测量装置，也帮助布置了“活动舞台”。当麦克斯韦关于光、电、磁的巨大综合终于在1&73年以专题论文形式出现时，它远没有获得直接的和充分的承认，虽然以后访年的实验工作证明了它的伟大意义。

正当Michelson打算接受挑战时，他工作领域的大多数科学精英却相继去世了。他钦佩惠斯通、阿拉戈、傅科和菲佐的天才，尤其是菲佐。这些人是他最为敬佩的实验家类型。他专业中的其他一代领袖们，有些仅仅比他大几岁，他们对他的潜能发挥都留有印记。例如在美国海军观测台工作的数学与天文学方面的加拿大 - 美国教授纽克姆、赫尔姆霍兹（一位转为生理学家和物理学家的德国医生），他们对年轻的Michelson来说，都是良师益友。麦克斯韦刚刚去世，但W. 汤姆生（后来的开尔文勋爵）和瑞利勋爵，都是他关于光波测量用途计划的热情支持者。

在大学毕业后在欧洲的研究（1880—1882年）期间，Michelson会见了对他最有帮助的专家们，因为这些人的工作更擅长于光谱学。在柏林，他见到了基尔霍夫和伏格尔；在海德堡，他见到了本生和昆克；在巴黎，则是雅明、马斯卡特、科尔纽、波特尔和李普曼（他在Michelson之后获得了诺贝尔理物奖）。莱登的H. A. 洛伦兹成为Michelson主要的友好批评者。

研制干涉仪

1880年暑假后期，Michelson就打算比较光在直角时的路径，作为发现地球相对￥以太运动的一个方法，因为他在1880年11月22日从柏林写信给纽克姆说，赫尔姆霍兹“看到没有什么可反对的，除了保持恒温这一困难外”。那个问题，在不止半世纪期间中结果证明是一个主要困难。在Michelson与他的近邻化学家E. W. Morley一起合作的几年（1883—1889年）中，温度控制问题始终困扰了他们的实验。直到米勒（D. C. Miller）在20世纪30年代的补充工作结束前、温度控制一直是干涉仪中的一个老问题。

在1881年和1887年以太漂移检测遭到令人失望之后，Michelson至少创造了两打关于干涉仪的不同设计，用以说明“光波及其用途”。那是他1899年在哈佛的洛威尔（Lowell Lectures）演讲的标题，也是他在1903年由芝加哥大学出版社出版的第一本书的标题。

在1930年左右，一般把所有的干涉仪解释为分开波阵面或分离来自点源或线源的不同频率的装置，或者解释为分开经由两个或更多的多路波束来的谐音反射的振幅的仪器。Michelson1881年的最初干涉仪被看作是后者类型的样板。他1890年设计的恒星干涉仪曾应用于木星的卫星（迟至20世纪20年代初期为止还没有应用于恒星），则被看作是前者类型的样板。大部分早期振幅分解器的技术核心是几套波束分离器，通常—半镀银的镜子。

起先，Michelson把他的发明叫做“干涉折射仪”，那是为了纪念雅明的用于测量各种气体和液体折射指标的仪器。后来，当他在巴黎开始思考用干涉方法去测量标准米尺光栅时，他就把自己修改过的器械叫做“干涉比较仪”。而在它的用途增加了许多且变得更明显之后，别人就开始简单地称之为“Michelson干涉仪。”

精密长度测量

在Michelson时代里，他的干涉仪的最大成就也许不是以太漂移检测，而是按照无形的光波测量铂 - 铱标准米尺光栅。因为至少从1827年起，科学家就认识到，米尺的波长定义（设想是地球圆周的四千万分之一）会比把它定义为两条刻写在光栅上的线段之间距离更为可取。米制的波长定义不仅会精确得多，它实质上应该自由地跟着世俗变化，并且应该容易通用于任何地方实验室。假如基准被丢掉或被破坏，Michelson方法就可以用复制品取代它，他夸口说，这复制品“不管哪一个都不能同原件区别开来”。

Morley和Michelson在1887年和1889年发表了关于把光波建立为“最终长度标准”的可行性论文，接着Michelson与其他助手一起，就着手进行这件事。用他基本干涉仪设计方案的计算条纹，让准标穿过他的目镜，Michelson就能设计一种十进制系列的中介标准，这帮助他进行这个微妙的和困难的任务。他实际上把同质的镉蒸气的红色辐射作为他的源（真空管这时刚刚发明出来）。他发现了一些精巧的方法排列他的波束分解器、镜子、镜子托架、光谱仪和显微镜，并创造了一个温度控制和内部操作的精致仪器。Michelson和古尔德利用美国仪器制造者制作了这种仪器的许多附件。最后结果如何？“标准米尺中的光波数，大约是镉的红色辐射1553163.5，是绿色的1966249.7，是兰色的2083372.1——都在15℃空气中和在标准大气压力下。”

这个值，一年年的检查再检查，经受了时间的考验，直到1960年选用氪的一条谱线去取代镉的红线为止。科学和技术世界为Michelson的专门知识打下如此印记、那是不足为奇的。

与声音类比

Michelson是个小提琴家，Morley是个钢琴家，而Miller是一个长笛吹奏家——当然都是业余爱好者，但仍然是音乐家，他们不断地思考声音和光波的运动。这三个经典以太漂移实验的主角，他们的音乐天才是出色的，他们对声学与光学的信奉是不可改变的。几乎不可能限制他们把两种“波”进行类比思考（即使是纵向的声波和横向的光波）。声学的干涉研究，特别是关于建筑声学中的反射，以及探测噪音的无回声房间，音乐和声音中朦胧的“敲打”，必定对三重奏有很大影响。

事实上，Michelson在1899年开始他的第一次Lowell讲演“波运动和干涉”时就预言说，很快有这么一天，会有“一种颜色音乐，其中表演者坐在确确实实有颜色的音阶前面，可以演奏任何连续或结合的光谱颜色……任意产生光和颜色的最微妙和最精巧的转调，或者最华丽和令人吃惊的对比以及颜色和弦。”Michelson就这样预见到巨大声音和光的演出，它目前如此流利，已遍及欧洲、亚洲和美国。声学干涉仪在光学干涉仪成为普遍东西之前就已经开始应用了。但显然，那不是我们要说的。

零结果

Michelson的干涉仪在发现“地球和传光以太的相对运动”遭受失败后，成了他的麻烦事。根据他1881年的实验，他希望发现在地球所有运动穿过空间以太时的组合速度。对于它的零结果，他解释为，证明了静止以太的假说是假的。

在Michelson成为克利夫兰的凯斯应用科学学院的一名物理学平民教授，并开始他与西部预科大学的老化学家Morley的合作之前，这两人在1886年就确证了菲佐关于菲涅耳的拖曳系数的工作，并且发表了“运动对光速的影响。”他们报告说，光在水流中移动时，由于流向而比在水外或逆流时要移动得快一点（大约7/16）。结论呢？相当奇怪，“传光以太完全不受它所弥漫的物质运动的影响”。

这样，在1887年Michelson-Morley的经典论文“论地球运动和传光以太”中，为了改进以太漂移实验，他们安排了一个较有节制的目标。在把他们的论点隐含在天文光行差的微粒理论对波动理论的词句的同时，他们一开始就说明了关于检验地球在静止以太中运动的假说的推理。仅仅为了追求地球的轨道速度（其速率和方向），他们设计了一个仪器，增加了光程长度大约十倍于1881年的值。波特尔和洛伦兹的影响在这里是明显的。零的结果，再一次表现为表格和图解形式，在有意义的图表内，增添了他们失败的名声。他们期待一个符合于大约0.4波长的变化。他们观察到一个小于0.04波长的变化。他们所期待的小于10%，意味着一个最后的零结果。然而在他们经典论文的附录中，Michelson和Morley至少提出了七个思想四个关于实验室的，三个关于天文台的——再一次地处处抨击整个太阳系穿过空间的运动问题。

在他最后的Lowell演讲“以太”中，Michelson承认：“这实验是我历史上饶有兴趣的事，因为它是对所设计的干涉仪这一问题的解答。我想会允许这一点，即由于导致干涉仪的发明，就大大补偿了这特殊实验给出的否定结果这一事实。”

进入20世纪

Michelson的职业生活，不像他个人生活那样，在进入20世纪之后并没有出现减速。他长时间着迷于大衍射光栅研制的控制机器的艰苦工作，这种机器要比霍普金斯大学罗兰的机器工作得更好。但他失败了。Michelson也卷入了科学政策问题，本地的，地区的，国家的——有点勉强和两可地，但无法回避。由于他的荣誉多了，并且“小科学”成为即使不是“大”科学但也是较大科学，Michelson被迫改变一点他的风格——在教学、科研和公共服务上。示范演讲、筹措资助、指导研究生都要求花更多的时间。他在第一次世界大战中，礼节性地回到海军，为了测距计的光学研究。他鼓励年轻同事们，诸如G. E. 黑尔等等，在他们的天体物理工作中和在企业像身份中设法建造较大的望远镜。他安排了R. A. 密立根接管他所有研究生的事务，而对他关于电荷量子化的油滴实验和对伟大战争的动员努力给予欢呼和激励。在一次竞争新建立的国家标准局的领导位置中，Michelson在1902年要求斯特拉顿到华盛顿为他的案件辩护。但是斯特拉顿本人得到了这位置。Michelson还支持H. G. 盖尔1914年大计划，应用干涉仪去测定地球刚度并且接着测定“油气味”。

战后，Michelson立即开始了这计划，应用他的恒星干涉仪去测量猎户座侧角中的红巨星的角径。结果都在1920年12月发表：这颗红巨星应该是像火星轨道那样大。报纸关于那个发现的宣传，比得上关于爱丁顿1919年日蚀远征的喧闹声。

1927年，当他由芝加哥大学退休并最后移居加利福尼亚的Pasadena之前，发表了他第二部也是最后一部书《光学研究》。其中，他总结了他生平工作，解释了他对待以太的保守态度（一种他认为是不顾相对论和量子力学理论新近成就的态度），并试图劝告物理学家们对更好的测量比对数学物理给予更大的注意。

Michelson，以干涉仪闻名的测量专家，是19世纪最后十年美国科学上一位可与罗兰相比的超群出众者。大约20世纪20年代，爱因斯坦以名贯全球的面貌出现了。但是，爱因斯坦理论没有Michelson的测量就不可能被接受。

当Michelson成为美国科学上第一个诺贝尔奖获得者时，它标志着历史上这样的时刻，即世界科学第一流水平的重要地位，已开始交给了美国。把他的兴盛时期称为美国科学的Michelson时代，那是十分恰当的。

[Physics Today，Vol.40（1987），No.5]