迈克尔孙干涉仪的发明及其特殊应用

迈克尔孙干涉仪的发明

新时空观理论的依据

迈克尔孙干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种，其发明者是美国物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔孙。迈克尔孙干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。迈克尔孙和爱德华·威廉姆斯·莫雷使用这种干涉仪于1887年进行了著名的迈克尔孙——莫雷实验，并证实了以太的不存在。

迈克尔孙干涉仪

以太是古希腊哲学家所设想的一种物质，在笛卡尔看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用。因此，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。后来，以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克首先提出的，并为惠更斯所进一步发展。在相当长的时期内，人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动。以太的假设事实上代表了传统的观点：电磁波的传播需要波一个“绝对静止”的参照系，当参照系改变，光速也改变。然而根据麦克斯韦方程组，电磁的传播不需要一个“绝对静止”的参照系。如果说光的传播需要介质，那么光速就应该相对介质不变，就好像空气中的声速相对空气不变一样。以前一直认为光是在一种叫做“以太”的介质中传播，所以认为光速应该相对“以太”不变，于是，迈克尔孙和莫雷做了一个寻找“以太”的实验。迈克尔孙——莫雷实验的具体做法是把一束光通过一个半反半透镜分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，通过干涉来测量光速的变化，如果光真是在“以太”中传播，那么地球上的光源会因为相对“以太”有一定的速度而使向不同方向发出的光速度不同，但实际上“以太”是不存在的，地球运动自然不会对光速造成影响，迈克尔孙-莫雷实验否定了“以太”的存在。既然“以太”不存在，就说明光的传播不需要介质，那么光速不变，就只能是相对地面参考系（在地面附近范围）。值得注意的是，有些人认为迈克尔孙——莫雷实验证明了“不论光源和观测者做怎样的相对运动光速都是相同的”，其实整个实验中，光源、半反半透镜和测量装置之间没有任何相对运动，相反还固定得很好，也就是说，光源和观测者没有做任何相对运动。如果向地球的运动的方向和地球运动方向的垂直方向的光速没有变化就能证明光速不变原理的话，那么向地球运动的方向和地球运动方向的垂直方向各扔一个苹果速度不变就能证明“果速不变原理”，向地球运动的方向和地球运动方向的垂直方向各扔一个球速度不变就能证明“球速不变原理”，向地球运动的方向和地球运动方向的垂直方向各扔一块石头速度不变就能证明“石速不变原理”，最后是不是还要来个著名的“万速不变原理”呢？可见迈克尔孙——莫雷实验并不能证明“不论光源和观测者做怎样的相对运动光速都是相同的”。因此，著名的迈克尔孙—莫雷实验、斐索实验均不能证明“光速不变”，而只能证明：在静止的真空管（或水管）中，光速的大小是稳定不变的。迈克尔孙——莫雷实验否定了特殊参考系的存在，这就意味着不存在以太，光速不依赖于观察者所在的参考系。到目前为止，所有实验都指出：光速不依赖于观察者所在的参考系，而且与光源的运动无关。迈克尔孙是第一个倡导用光波的波长作为长度基准的科学家。1892年迈克尔孙利用特制的干涉仪，以法国的米原器为标准，在温度15℃、压力760毫米汞柱的条件下，测定了镉红线波长是6438.4696埃，于是，1米等于1553164倍镉红线波长。这是人类首次获得了一种永远不变且毁坏不了的长度基准。该实验的结果成为了狭义相对论的一个坚实基础，为新的时空观理论提供了依据，打破了数百年来人们对以太从而对于力的作用方式需要介质的看法。他巧妙的构思成为物理学史上一个杰出的典范。

迈克耳孙干涉仪的最著名应用即是它在迈克尔孙——莫雷实验中对以“太风”观测中所得到的零结果，这朵19世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克尔孙干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。激光干涉引力波天文台等诸多地面激光干涉引力波探测器的基本原理就是通过迈克尔孙干涉仪来测量由引力波引起的激光的光程变化，而在计划中的激光干涉空间天线中，应用迈克耳孙干涉仪原理的基本构想也已经被提出。迈克尔孙干涉仪还被应用于寻找太阳系外行星的探测中，虽然在这种探测中马赫-曾特干涉仪的应用更加广泛。迈克尔孙干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。19世纪末人们通过使用气体放电管、滤色镜、狭缝或针孔成功得到了迈克尔孙干涉仪的干涉条纹，而在一个版本的迈克尔孙——莫雷实验中采用的光源是星光。星光不具有时间相干性，但由于其从同一个点光源发出而具有足够好的空间相干性，从而可以作为迈克尔孙干涉仪的有效光源。(www.xing528.com)

迈克尔孙

迈克尔孙是一位出色的实验物理学家，他所完成的实验都以设计精巧、精确度高而闻名，爱因斯坦曾赞誉他为“科学中的艺术家”。

非线性迈克尔孙干涉仪

在所谓非线性迈克尔孙干涉仪中，标准的迈克尔孙干涉仪的其中一条干涉臂上的平面镜被替换为一个Gires-Tournois干涉仪或Gires-Tournois标准具，从Gires-Tournois标准具出射的光场和另一条干涉臂上的反射光场发生干涉。由于Gires-Tournois标准具导致的相位变化和光波长有关，并且具有阶跃的响应，非线性迈克尔孙干涉仪有很多特殊的应用，例如光纤通信中的光学梳状滤波器。另外，迈克尔孙干涉仪的两条干涉臂上的平面镜都可以被替换为Gires-Tournois标准具，此时的非线性迈克尔孙干涉仪会产生更强的非线性效应，并可以用来制造反对称的光学梳状滤波器。