邁克爾遜干涉實驗的物理思想

鄭慶華，王忠全

(淮南師范學院 物理與電子信息系，安徽 淮南 232038)

引言

邁克爾遜干涉實驗是各本科院校普遍開設的一個光學基礎實驗，用雙光束分振幅干涉的原理對各物理量進行測量，是現(xiàn)階段世所公認的精度最高的一種檢測手段。邁克爾遜干涉實驗以其精巧的設計，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：從未有這樣一個實驗能如此引起人們的興趣。我們試圖從另一個層面，來挖掘這個實驗所蘊含的物理思想，以期給學生更多的啟迪，達到實驗教學的真正目的。

一、經(jīng)典性

邁克爾遜干涉實驗是一個經(jīng)典的實驗，其經(jīng)典性表現(xiàn)在以下幾個方面：

（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個聞名于世的實驗：邁克爾遜-莫雷實驗、光譜精細結(jié)構(gòu)和利用光譜波長標定米標準原器。

邁克爾遜-莫雷實驗。1881年美國物理學家邁克爾遜（A Michlson，1852-1931）為測量光速，依據(jù)分振幅產(chǎn)生雙光束實現(xiàn)干涉原理，精心設計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”漂移實驗，徹底否定了“以太”的存在，解決了當時關于“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驗依據(jù)。

光譜的精細結(jié)構(gòu)。在最初的邁克爾遜干涉實驗的研究中，是用納光的波長作為實用的長度標準，但是納黃光為典型的雙線結(jié)構(gòu)，因此決定去尋找細銳且沒有精細結(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)了氫光譜的精細結(jié)構(gòu)以及水銀和鉈光譜的超精細結(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作用，在此基礎上邁克爾遜還運用自己發(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動的關系進行了深入研究，取得了豐碩的成果，為現(xiàn)代分子物理學、原子光譜和激光光譜學等新興學科的發(fā)展奠定了理論和實驗的基礎。

標定米標準原器。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毀不了的長度基準，邁克爾遜的工作為人類獲得的長度的統(tǒng)一基準奠定了基礎，使人類對長度基準的要求上了一個臺階。邁克爾遜也因他對光學精密儀器，及用之于光譜學和計量學研究所做的貢獻，而榮獲1907年諾貝爾物理學獎①郭奕玲,沈慧君：《諾貝爾物理學獎一百年》,上海：上?？茖W普及出版社，2002年。。正是由于上述的幾個方面，使得邁克爾遜干涉實驗在物理學的發(fā)展史上占據(jù)了重要的位置。

（二）原理的簡明性

邁克爾遜干涉實驗原理簡明，只利用了一個分束板就很好地解決了相干光問題，這在當時是一個了不起的成就。光路見圖1：

圖1 邁克爾遜實驗干涉原理圖

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'，當一束光以45°角射向G1時，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為補償板與 G1平行，補償透射光的光程差，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，簡潔明了②馬葭生，宦強：《大學物理實驗》，上海：華東師范大學出版社，2006年。。

（三）設計思想的巧妙性

有人說邁克爾遜設計思想的巧妙性在于:他利用平面鏡改變光路，從而用同一束光產(chǎn)生干涉變?yōu)榭赡埽芎玫亟鉀Q了相干光問題，在當時還沒有單色性、穩(wěn)定性好的激光問世之前，他的這樣一種設計理念，成為利用振幅分割法研究光干涉的一個代表。

在大學物理實驗中調(diào)節(jié)M1與M2嚴格垂直就可觀察白光，鈉燈，汞燈，激光等的等傾干涉條紋，實驗中要求學生讀移動500個條紋時反射M2鏡的移動距離△d，根據(jù)公式λ=就是我們常做的定量測波長實驗，實驗結(jié)果可以精確到10-5mm③李平：《大學物理實驗》，北京：機械工業(yè)出版社，2006年。。同時還可讓學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判斷兩反能鏡的相對位置等。甚至可以要求學生取下近似眼鏡(或者帶上遠視眼鏡)，去觀察汞燈圓條紋，以判斷條紋的定域，這種巧妙的設計思想，使邁克爾遜干涉實驗的內(nèi)容極其充實，既有定性觀察又有定量測量，既有粗測，又可進行精確測量，既有確實性又有探索性，其中卻不乏巧妙之處，因此人們稱邁克爾遜干涉實驗是一個經(jīng)典的基礎光學實驗，是大學物理必修的一個實驗項目。

二、衍生性

邁克爾遜干涉儀在近代物理和計量技術中也有著廣泛的應用。隨著科學的不斷進步，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)、設計思想仍然是許多干涉儀的基礎。

最早受邁克爾遜干涉儀設計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動的。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動，但此干涉儀的設計思想即利用沿不同方向傳播的光的干涉物體，相對于慣性系運動速度的精確測量，給人們留下了深刻的印象，其中Seorge就是最早領會邁克爾遜干涉儀設計思想的人，他利用閉合環(huán)路中沿順時針和逆時針方向上傳播的光的干涉,測量物體旋轉(zhuǎn)角速度，成功設計了一臺Sagnac干涉儀，于1913年在高速旋轉(zhuǎn)的桌子上進行了演示并獲得了成功。隨著1960年激光技術的出現(xiàn)，Sagnac干涉儀的應用揭開了新的篇章，為激光陀螺的誕生奠定了理論和技術基礎，激光陀螺由于沒有傳統(tǒng)陀螺中的運動部件，避免了因機械應力及摩擦引出的測量誤差，被廣泛用于民用和軍用領域，成為提高導航精度的關鍵元件。

近代物理學的發(fā)展，邁克爾遜干涉儀更是為其精密測量，導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上衍化而來，在生產(chǎn)、科研、軍事、航空等領域發(fā)揮了更大的作用。

三、啟發(fā)性

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

（一）堅強的毅力

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光輝的頂點。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，在對干涉儀的設計和研究中，他也經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗，但他研究目標明確，無論遇到多大的壓力，都不會改變朝著既定目標努力的決心，他有著充分的信心和堅強的毅力，什么也阻擋不了他，他清楚地知道自己應當做什么和怎樣去做，這才使得他能設計出邁克爾遜干涉儀，并在以太漂浮實驗中推翻了占統(tǒng)治地位的以太假說，并不斷地重復實驗，以確保實驗的準確性，為相對論的提出奠定了扎實基礎，他的這種為獲得成功而堅韌不拔的堅強毅力，仍然是我們今天學習的榜樣。

（二）科學的方法

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

趙凱華曾在《物理學照亮世界》中說到：“物理學是唯一一門理論和實驗高度結(jié)合的精密科學。物理學中有一套最全面最有效的科學方法,實踐證明,把這套方法運用到自然科學的許多領域,乃至社會科學,都是卓有成效的。在教育中,對于學生的科學素質(zhì)培養(yǎng),物理課有著無可替代的作用?！雹仝w凱華：《物理學照亮世界》，北京：北京大學出版社，2005年。正是基于此，我們能從這個歷史上著名的實驗中分析、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，以拓展學生的思維，開闊學生視野，培養(yǎng)他們的探索和創(chuàng)新精神，這正是實驗教學真正目的之所在。