迈克尔逊干涉仪——从“以太”到诺贝尔物理学奖

本文转自：人民网-科普中国

学过物理的读者对光的干涉一定不陌生，作为光的波动性的基本特征，两束或多束光在空间中相遇后，在重叠区内形成稳定的强弱强度分布。光的干涉特性被广泛用于干涉技术与薄膜技术。然而，在19世纪末，关于光的传播介质仍然存在诸多谜团。这一切都引向了“以太”的概念。

在古希腊时期，哲学家们为了解释自然界的现象提出了“以太”的概念。亚里士多德认为，“以太”是构成宇宙的五大元素之一，与水、火、风、土不同，它是一种存在于天空上层的神秘物质。这种物质永恒不变且充满了宇宙中的所有空间。在亚里士多德的宇宙论中，“以太”的存在不仅是对天体运动的一种解释，也是古代希腊哲学试图揭示宇宙本质的一部分。

随着科学的发展，“以太”的概念经历了多次演变。到了17世纪，笛卡尔将“以太”引入他的哲学和物理学体系。他认为，物质间的相互作用必须通过某种介质来传递，因此空间不能是空无一物的。笛卡尔视“以太”为这种介质，认为它充满了整个空间，传递力和运动。笛卡尔的“以太”概念不仅是对物理现象的解释，更是他机械哲学体系的重要组成部分。在他的世界观中，“以太”是一个无处不在、无孔不入的流体，通过涡旋运动解释天体的运行和物质的相互作用。

“以太”理论在牛顿时代得到了进一步的发展，牛顿提出，“以太”可能是一种非常稀薄的物质，具有极小的质量和高度的弹性，能够传递光和引力。牛顿的“以太”概念在解释光的波动性和力的传递方面提供了一种可能的机制，尽管这一理论在当时仍有很多争议。到了19世纪，“以太”的概念在电磁学的发展中得到了新的阐释。麦克斯韦的电磁理论将电、磁、光统一在一个框架内，并假设“以太”作为这些现象的传播介质。

尽管“以太”假说在19世纪的科学界占据重要地位，但它始终缺乏实验证据的支持。为了验证“以太”的存在，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷、在1887年设计并实施了一个重要的实验，这就是著名的迈克尔逊-莫雷实验。根据“以太”假说，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，那么地球在“以太”中运动时，光的传播速度应该在不同方向上有所不同。为此，迈克尔逊设计了一种精密的干涉仪，称为迈克尔逊干涉仪。

迈克尔逊干涉仪的设计巧妙地利用了光的干涉原理。它由光源、分光镜、反射镜和屏幕或检测器等部分组成。光源产生一束单色光（通常是钠灯发出的黄光），分光镜将入射光束分成两束等强度的光束，分别沿不同方向传播。这两束光分别被两个反射镜反射，然后重新汇聚到一起。两束光重新汇聚后会产生干涉条纹，这些条纹可以在屏幕上观察到或者通过检测器记录下来。通过旋转干涉仪，可以改变光束传播的方向，从而测量不同方向上的光速。如果地球在“以太”中运动，那么两束光的传播速度应该存在微小差异，这种差异会导致干涉条纹的移动。

然而，实验结果出乎意料。无论迈克尔逊和莫雷如何调整实验装置，光速在所有方向上都没有表现出预期的变化。这一结果表明，“以太”假说存在严重问题，因为如果“以太”存在，光速应该表现出方向依赖性。迈克尔逊-莫雷实验的结果对“以太”假说提出了致命挑战，引发了科学界的广泛讨论。

许多物理学家试图解释这一结果，包括“以太”部分拖拽假说和洛伦兹变换，但这些解释都未能完全解决问题。“以太”部分拖拽假说认为，“以太”在地球附近被“拖拽”着移动，从而解释光速的不变性。然而，这种假说未能得到实验证据的支持。另一方面，洛伦兹变换虽然能够解释迈克尔逊-莫雷实验的结果，但其理论框架仍然假设“以太”的存在。洛伦兹变换通过引入时间膨胀和长度收缩的概念，试图协调经典力学与电磁理论，但在此过程中并没有彻底摒弃“以太”的概念。

直到1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，彻底摒弃了“以太”的概念。他的理论基于两个基本假设：光速在真空中对于所有观察者都是恒定的，且物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。爱因斯坦的相对论解释了迈克尔逊-莫雷实验的结果，光速不变不需要任何介质。这一理论不仅解释了光的传播问题，还深刻改变了我们对时间和空间的理解。

狭义相对论提出，时间和空间并不是绝对的，而是相对的，取决于观察者的运动状态。光速作为一种基本常数，在所有惯性参考系中保持不变。这一革命性观点不仅解决了迈克尔逊-莫雷实验的矛盾，还开启了现代物理学的新纪元。而迈克尔逊虽然没有证明“以太”的存在，但因其在光学干涉技术上的杰出贡献，于1907年获得诺贝尔物理学奖，成为第一个获得该奖项的美国人。作为一个杰出的精密测量学家，其设计的迈克尔逊干涉仪对科学界产生了深远影响。他的成就不仅限于迈克尔逊-莫雷实验，这一仪器也不仅用于检测“以太”假说。

迈克尔逊干涉仪能够极为精确地测量长度变化，因而被广泛应用于基础物理研究、天文学、光学计量等领域。例如，在天文学中，迈克尔逊测星干涉仪用于测量恒星的直径，并且能够探测到极其微小的波长变化，这对天体物理学的发展至关重要。此外，干涉仪技术在测量光的波长、确定光谱线的精细结构以及在精密测量设备的校准中都扮演了重要角色。迈克尔逊干涉仪的精度和灵敏度使其在现代科学研究中依然具有不可替代的地位，其影响远远超出了最初的设想，成为科学仪器中精密测量的典范。

迈克尔逊通过他的发明和研究，不仅推动了光学和物理学的发展，还为后续科学家的研究提供了坚实的基础。他的工作和爱因斯坦的理论一起，构成了现代物理学的基石的一部分，极大地拓展了人类对自然界的理解。

作者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究生蔡文垂

审核：中国科学院高能物理研究所研究员李明