阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克耳孙

阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克耳孙:寻找虚无的人

1887年,在克利夫兰,迈克耳孙(Albert Abraham Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)建造了一台足够灵敏的仪器,旨在探测地球穿过“光以太”——十九世纪物理学假定光在其间传播的无形介质——时的运动。然而他们完全没有发现这种运动。这一零结果是科学史上最重要的结果之一,而其作者余生都在做他一直以来所做的事:比前人更精确地进行测量。

从斯特热尔诺到弗吉尼亚城

他于1852年12月19日出生在当时的普鲁士、现今波兰的斯特热尔诺(Strzelno),出生在一个波兰犹太家庭,该家庭在他幼年时移民到了美国。他的父亲经营一家商店,他在美国西部的原始矿业城镇中长大——加利福尼亚州的墨菲营地(Murphy's Camp)和内华达州的弗吉尼亚城。为了上高中,他与姨妈亨丽埃特·利维(Henriette Levy)一起住在旧金山,并于1869年在当地完成了公立学校的学业。他的妹妹米里亚姆(Miriam)成为了一名小说家。这个家庭没有宗教信仰;迈克耳孙终身保持不可知论。

获得格兰特总统的任命

1869年,他获得了美国总统尤利西斯·S·格兰特(Ulysses S. Grant)的特别任命,进入美国海军学院。在担任海军军校学员的四年里,他在光学、热学、气候学和绘图技术方面表现突出,并于1873年毕业成为少尉。随后的两年里,他在西印度群岛执行海上任务,1875年回到安纳波利斯教授物理和化学。

就在那里,1877年,一场课堂演示转变为他毕生的职业。当被要求向学生展示如何测量光速时,迈克耳孙对仪器进行了极其积极的改进,以至于他在1879年发表了一个正式数值:每秒299,910公里,误差为正负50。那年他被派往华盛顿的航海年历办公室与西蒙·纽康(Simon Newcomb)共事,随后前往欧洲——柏林、海德堡、法兰西公学院、巴黎综合理工学院——之后辞去了海军职务。

追逐光

光速成了他生命的脊梁。他在1883年的数值是299,853 ± 60 km/s。在1920年至1926年间,他在威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)和22英里外的瞭望山之间发射了一束光,测得299,796 ± 4——这种精度在年轻时的他看来是不可想象的,尽管1925年的圣巴巴拉地震可能移动了他下方的基线。他于1929年开始的最后一次测量活动,是在圣安娜附近通过一个真空管进行测量的。他去世时,计划的233组测量系列只完成了36组;测量结果299,774 ± 11 km/s于1935年在他去世四年后发表。在五十年的时间里,他将宇宙基本常数的不确定性从每秒50公里削减到了11公里。

使这一切成为可能的仪器是他自己制造的。1881年,他建造了干涉仪,它将一束光分成两半,使两半光束沿垂直路径传播,然后重组它们,从而使干涉条纹能够揭示远小于波长的路径长度差异。

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科学界最著名的零结果

1883年被任命为克利夫兰应用科学学院(现凯斯西储大学)的教授后,他改进了干涉仪,并于1887年与邻近的西储大学(Western Reserve University)的爱德华·莫雷联手。逻辑很简单:如果地球穿过静止的以太,那么沿着运动方向传播的光应该比横向传播的光返回所需的时间更长。旋转仪器,条纹就应该发生偏移。

它们没有偏移。该实验被认为是证明不存在可探测以太的典型范例。亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)通过推导后来成为狭义相对论数学一部分的收缩方程作为回应。它是否直接触动了爱因斯坦(Einstein)的灵感并不像传说中那样清晰;爱因斯坦本人曾说:“我并不觉得它直接影响了我……我想我只是把它当作理所当然的事实。”至于迈克耳孙,他本意是要测量以太,而非废除它,他从未完全适应他实验所推导出的相对论世界。

芝加哥与第一位美国诺贝尔奖得主

1890年,他搬到伍斯特的克拉克大学(Clark University),1892年进入新建的芝加哥大学(University of Chicago),担任创始教授和首任物理系主任,直至1929年退休。他曾担任1900年美国物理学会主席、1910-11年美国科学促进会主席,以及1923年至1927年的美国国家科学院主席。第一次世界大战期间,他重返海军并设计了一种测距仪;他还建造了梯形分光镜,这是一种用于分离光谱线的高分辨率仪器。

1907年,他成为第一位获得诺贝尔科学奖的美国人。此后奖牌接踵而至:拉姆福德奖章(1888年)、马泰乌奇奖章(1903年)、科普利奖章(1907年)、埃利奥特·克雷森奖章(1912年)、亨利·德雷珀奖章(1916年)、英国皇家学会阿尔伯特奖章(1920年)、朱尔斯·让森奖(1922年)、英国皇家天文学会金质奖章和富兰克林奖章(均为1923年)。

测量恒星

1920年,他与弗朗西斯·G·皮斯(Francis G. Pease)在威尔逊山合作完成了一项前所未有的成就:测量了太阳以外恒星的直径。利用一套潜望镜装置,将来自相距20英尺的两个子光瞳的光引导进100英寸的胡克望远镜(Hooker Telescope)主光瞳中,他们成功解析了红巨星参宿四(Betelgeuse)。今天运行的每一个大型干涉阵列——智利的甚大望远镜干涉仪(VLTI)、威尔逊山的CHARA阵列、海军的NPOI阵列——都是从那套装置衍生而来的。

为什么说阿尔伯特是天才

所讨论的品质并非理论洞察力;迈克耳孙没有提出任何以他名字命名的定律,也没有写出任何方程式。这是工具制造的想象力——能够看出他人认为无法回答的问题实际上是一个制造更好的尺子的问题,然后将其实施。干涉仪是一个关于如何比较两个量的真正新构思,它将一个抽象的宇宙学问题转化为了人眼可以计数的条纹。同样的禀赋创造了梯形分光镜、海军测距仪和恒星干涉仪,并使他在半个世纪里不断缩小光速的误差范围。

诺贝尔委员会表彰的正是这一点:仪器优先,结果次之。他是第一位被欧洲同行视为平等的美国科学家,三个国家级学术机构的领导职位也说明了他的同事们确实这样认为。

诚实的反对意见是,迈克耳孙并不理解他最著名结果的意义。他在追捕以太,对没有找到它感到失望;洛伦兹和爱因斯坦提供了答案。用他自己的话来说,他与其说是被伟大的问题驱动,不如说是被乐趣驱动——当被问及为何研究光时,据说他回答“因为它太有趣了”。称他为那个时代最伟大的实验者而非伟大的理论家之一,这一评价完全符合事实,毫不勉强。

遗产

他于1931年5月9日在帕萨迪纳去世,享年78岁,他最终的光速实验尚未完成。他的名字被冠以芝加哥大学、凯斯西储大学和海军学院的建筑物,中国湖海军武器站的迈克耳孙实验室,以及凯斯西储大学的迈克耳孙-莫雷奖和系列讲座。更宏大的纪念碑是程序性的。他1881年为了追寻一个事实并不存在的介质而建造的干涉仪,现在已成为物理学家需要以极高精度比较两个长度时的标准设备,而他1920年在威尔逊山上即兴设计的阵列,是所有将恒星解析为圆盘而非点的望远镜的鼻祖。

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