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阿尔伯特·迈克尔逊(1907年诺贝尔物理学奖得主)

来自VeritasWiki 真理百科
阿尔伯特·迈克尔逊
迈克尔逊干涉仪发明者,精密光学测量的先驱
出生/逝世 1852年12月19日-1931年5月9日
国籍 美国(生于普鲁士)
身份 物理学家
获奖年份 1907年
奖项类别 诺贝尔物理学奖
获奖理由 对精密光学仪器的创制以及借助这些仪器进行的光谱学和计量学研究的卓越贡献

生平

阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊(Albert Abraham Michelson)1852年12月19日出生于普鲁士王国波森省斯特雷尔诺(今波兰斯特雷尔诺)。父亲是犹太商人,1855年举家迁往美国,先后定居于加利福尼亚州的墨菲斯和弗吉尼亚城。

迈克尔逊1869年进入美国海军学院(安纳波利斯),1873年毕业后服役于海军。这段经历培养了他对精确测量的严格态度。1875年至1879年任安纳波利斯海军学院物理和化学讲师。1880年赴欧洲深造,在柏林大学、海德堡大学和法兰西学院学习光学研究。1883年回到美国,任克利夫兰应用科学学院物理学教授。1889年任马萨诸塞州伍斯特克拉克大学物理学教授。

1892年,迈克尔逊被任命为芝加哥大学物理学系首任主任,在该校度过了他最富有成果的时期,直至1929年退休。1931年5月9日,他在加利福尼亚州帕萨迪纳去世,享年78岁。

学术生涯

迈克尔逊早期研究工作的核心是提高光速测量的精度。在安纳波利斯期间,他对当时的光速值不满意,决心设计更精密的测量方法。1878年,他用旋转镜装置测量了光速,次年又与西蒙·纽科姆合作进行更精确的测量。这些工作为他后来设计更精密的干涉仪奠定了基础。

1880年至1881年间,在欧洲深造期间,迈克尔逊设计了著名的迈克尔逊干涉仪。其基本原理是将一束光用半镀银镜分为两束,分别沿互相垂直的路径传播后反射回来,在观察屏上产生干涉条纹。这种干涉仪具有极高的灵敏度——可以检测到光程差小至波长的百万分之一的变化。

1887年,迈克尔逊与化学家爱德华·莫雷合作,在克利夫兰进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。他们的目的是探测地球在"以太"中运动产生的"以太风"效应——期望观察到两束互相垂直的光之间的微小时间差,但实验结果始终为零。

获奖成就

1907年,迈克尔逊获得诺贝尔物理学奖,以表彰他"对精密光学仪器的创制以及借助这些仪器进行的光谱学和计量学研究的卓越贡献"。他是第一位获得诺贝尔奖的美国公民(此前1906年的西奥多·罗斯福总统获得了和平奖,但美国本土第一个科学类诺贝尔奖正是迈克尔逊)。

迈克尔逊获奖的核心成就包括:

第一,他发明的迈克尔逊干涉仪是现代物理学中最精密的测量工具之一。用这种干涉仪,他成功测量了光速,将其精确到299,853 km/s。他还利用干涉仪测定了恒星直径——1920年,他测量了参宿四的角直径,这是人类首次直接测量恒星的角直径。

第二,他在光谱学方面做出了重大贡献。迈克尔逊发明了阶梯光栅(echelon grating)和干涉光谱仪,极大地提高了光谱分析的分辨率。他精确测定了多种光谱线的波长,并建立了以镉红线为基准的国际长度标准。

历史贡献

迈克尔逊-莫雷实验的零结果被认为是狭义相对论诞生前的关键实验证据。虽然迈克尔逊本人从未完全接受相对论,但他的实验结果为"光速不变"提供了最有力的实验支持。爱因斯坦后来说过,如果没有迈克尔逊-莫雷实验,狭义相对论的建立至少要推迟数年。

迈克尔逊的光速测量工作在物理学中具有基础性意义。他不断改进测量方法,将光速测量的精度从约300 km/s的误差降低到4 km/s以内。1931年他去世前发表的最后一篇论文仍然是关于光速测量的。1933年,他的光速测量结果(299,774 km/s)被国际采用为参考值。

迈克尔逊干涉仪成为20世纪物理学标准实验工具。1935年,迈克尔逊和莫雷的孙子分别利用干涉仪验证了爱因斯坦的等效原理。现代引力波探测器(如LIGO)的核心原理正是迈克尔逊干涉仪——只是将臂长从数米延长到数公里,将镜面悬浮于真空隔振系统中,可以探测到比原子核小万倍的微小变化。

轶事典故

迈克尔逊对精密测量有着近乎痴迷的追求。他常对学生说:"如果给你1比1,000的精度,你的实验就是粗糙的;给了你1比100,000的精度,你才算是认真做物理。"他对仪器精度的要求在当时被认为近乎苛刻,但正是这种精神使他的测量数据在数十年后仍然可靠。

迈克尔逊-莫雷实验最初由迈克尔逊独立在柏林进行(1881年),结果已经为零。他后来与莫雷合作使用更精密的仪器重做实验(1887年),结果仍然为零。这个"令人失望"的结果困扰了迈克尔逊一生——他原本期望发现以太风来证明光的波动理论的基石。他后来说:"我认为我必须承认,这整个实验从一开始就算计好了——为了证明那根本不存在的以太。"

迈克尔逊在海军学院的学习经历对他的严谨作风影响深远。他在学会讲课时常拿精确测量的重要性开玩笑:"一个优秀的牧师可以从单一观察中就推导出全部真理,但物理学家需要一百次以上的验证才行。"

在科学生活之外,迈克尔逊是一位技艺高超的水彩画家和小提琴手。他认为科学与艺术都是对秩序和美的追求。他曾在芝加哥大学的物理学系大楼里设置了一间画室。

参考文献

1. Michelson, A. A. (1881). "The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether". American Journal of Science, 22, 120-129. 2. Michelson, A. A. & Morley, E. W. (1887). "On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether". American Journal of Science, 34, 333-345. 3. Michelson, A. A. (1903). Light Waves and Their Uses. University of Chicago Press. 4. Livingston, D. M. (1973). The Master of Light: A Biography of Albert A. Michelson. University of Chicago Press. 5. 诺贝尔基金会官方网站:Albert A. Michelson – Biographical