迈克耳孙的实验风格

迈克耳孙的实验风格及其影响一.迈克耳孙工作介绍迈克耳孙是美国科学事业的开拓者之一，他获得了1907年的诺贝尔物理奖，是美国历史上第一位诺贝尔科学奖获得者．他目睹了相对论与量子力学的建立过程，但是作为一位常规科学家他对经典物理学情有独钟．他的学术生涯有些与众不同，他获得诺贝尔奖不无争议，他是漠视理论类实验物理学家的代表人物．但是他对科学实验实事求是、一丝不苟的作风，和对实验仪器的改进创新，以及对自己实验精度设立的高标准，都无可厚非地说明他是历史上最杰出的实验物理学家之一。迈克耳孙是生活在一个激荡的科学发展时代，他亲自经历了狭义相对论与量子理论诞生的历史进程。并为狭义相对论的建立与稳固打下了坚实的实验基础。而他毕生的工作也与一个基本原理息息相关---那便是“真空光速独立于参考系”。而其工作的意义，在我的个人理解层面上看是对高精度实验的不断突破，而精度的重要性是同时促进理论与实验的发展，加速发展的进程。“迈克尔逊的一项重要工作便是对光速的测定。早在海军学院工作时，由于航海的实际需要，他对光速的测定开始感兴趣。1879年他开始光速的测定工作。他是继菲佐、傅科、科纽之后，第四个在地面测定光速的。他得到了岳父的赠款和政府的资助，使他能够有条件改进实验装置。他用正八角钢质棱镜代替傅科实验中的旋转镜，由此使光路延长600米。返回光的位移达133毫米，提高了精度，改进了傅科的方法。他多次并持续进行光速的测定工作，其中最精确的测定值是在1924～1926年，在南加利福尼亚山间22英里长的光路上进行的，其值为（299796±4）km/s。迈克尔逊从不满足已达到的精度，总是不断改进，反复实验，孜孜不倦，精益求精，整整花了半个世纪的时间，最后在一次精心设计的光速测定过程中，不幸因中风而去世，后来由他的同事发表了这次测量结果。他确实是用毕生的精力献身于光速的测定工作。”-----摘自百科而这之中十分打动人的工作便是他对光速测定的痴迷，他不断超越自己建立的高精度实验，只为实现更加精确的测量。而他的这种实干精神，富有勇气的创新精神，与超越自我的追求恰恰是我们大学生要好好学习与领悟的品质。迈克耳孙致力于的另一项工作是迈克耳孙干涉仪。“1875年出版的第九版《大英百科全书》中，麦克斯韦说:“如果能够通过测量光通过地球表面两点之间的时间，就可以确定光的速度．同样也可以得到光沿着逆此光路行进时的速度．通过比较这两个速度，就可以确定以太相对于地面上物体的速度．”但1879年在麦克斯韦去世前出版的《自然》上，发表了一封麦克斯韦的信件．在这封信里，麦克斯韦认为也许无法测量以太与地球之间的相对速度．”---文献。而以上的事件激起了迈克耳孙对测定以太速度的热情，于是他便开始设计一台能精确测量以太速度的仪器。干涉仪的实验原理：等厚干涉等倾干涉n为介质（空气膜，也可以使用其他介质）的折射率。e为等效的空气膜厚度。δ为光程差，k为干涉的条纹级数。而实验中影响精度的一个重要依据是衬比度，这将影响形成干涉条纹的可观测度。考虑光源产生光的作用机制，是许多原子与分子由高能态向低能态发生变化而产生光的一种微观过程。处于激发态的原子是不稳定的，原子分子在进行无规则的高速热运动。由于多普勒效应，光源会向外发射一段长度有限，频率在一很小范围的并且振动方向一定的光波。因此这是所有光学中存在的普遍性现象，也是光学干涉仪必须考虑的误差因素。二．干涉仪的精度分析先定义衬比度，为更好地讨论接下来的问题。衬比度：minmaxminmaxIIIImaxI，minI分别为光强总量的最大值和最小值L在此一般指光程差，k为波数，含义为波在行进单位位移时变化的相位值。2k，为波长ⅰ.光的双线结构21k2sin122，，kie212e2kkn，，有效地操控关系以便在实验中能更从此处可以清晰地得出不妨引入中随光程差的变化关系论的光强在双线性结构为了更好地说明上述讨换的空间周期为参考，于是光强强弱变可以取光强的平均值来有紧要的意义，所以正负值在这里没人眼的灵敏度较低眼的平均效果由于观察到的现象是人对光强进行非相干叠加，，，此时形成明亮条纹此时形成模糊条纹形成明亮条纹，初始等光长双线结构2cos22,cos2cos12:cos1,cos122222)12(2,)2/1(0---------2~21~~0)(20100~2~1021~~20201020102121LkkLkkkLkLkIIIILkIILkIINNLNNNLNNLLTL计算机模拟的情形--类似于拍的振动图像ⅱ.准单色线宽的影响先事先引入谱密度函数的概念2k2sinsin,)cos(sin12,2/k)cos(2sin1)cos(2sin2ikcosik)cos1(i2,02,ii)cos1(iIkik)cos1(iikiki00000000220022000000000000000LLkLkkLkkiILkLLkLkkiILLkLkkiIdLkkiIdLkIkkkkkkkdkLkkIdkdLkkIdkdIkdkdIkILLLkkkkLkkkkLLL可知衬比度为的等效进行方垒型谱密度函数为了简化积分运算，来程，这是普遍性的计算方其中微分表示从中可以看出第一次出现衬比度为0值是2,k2MMLL此时的ML为最大光程差值,意思为实验中能进行测量的最大光程差范围用计算机模拟后的情形--类似于夫琅和费的单缝衍射图像这之中发现的有趣事情是2ML，这似乎说明了一个问题：那就是为什么正好是与，有关，而这恰好也是与光的本质相关的参数。所以会发现这其实有着其普遍性的物理含义。考虑到此波列将会以波包的形式在空间中传播有222112,2/,2/wavewaveLLtcctcctt且则探测器的曝光时间为为了检测出这个波包，得出来的波列长度相等，一个是经验性的假设，一个是由发光原理出发做的讨论，得到了相同的结果，实验与理论契合。而波列长度也可以简单地由干涉条纹恰好完全消失的那一时刻为基准给出L解（虽然并不严格）。这也体现了思想的多元性。附加：我考虑了光源，高能态原子与分子的热运动，由热运动产生的多普勒效应影响而导致的出现。而另一个产生的效应需要用量子电动力学给出严格结果，此处我先猜想多普勒效应的影响。kTmckTvcvvcvvcvcmkTvdvvekTmdvvfvekTmfvcvcvvkTmvvkTmvvv88121,8424,2,_0322/303_22/322带入可得可知在广延空间下分布为分子运动的速度密度估算一下其数量级，一般的光源温度为2100K（取的是高压钠灯，也可以考虑热平衡态下的辐射功率，选定一个40W的钠灯，而主要发射光子的是钠蒸汽，表面积是难以确定的量。小为平均钠蒸汽粒子的大，，02044rrSSTP）为条纹级数为光程差为波列长度，，NLLNNNN,,1222maxmax则7-10929.2。可见由多普勒效应产生的影响是很小的。综上所述，我们考虑了实验时光相干度的问题。基于没有人工设计光源，那么用自然光源做实验的话，将会受到很大的限制。以上的时间相干性在这好像成为了不可避免的问题，于是人们开始自己设计光源，制造光源。接下来阐述创造相干性优越的相干光源，发现这也是一个从微观的设计到宏观的运用过程。三．现代干涉仪原理介绍接下来介绍的是当代人们使用的光源，精度已经远远高于迈克耳孙那个时代的标准。而精度的提高是离不开强有力的理论支柱，描述微观运动的量子力学发展起来后，其为现代精度测量的不断突破提供了原理与蓝图。1.激微波法MASER激光和激微波通过让光线在充满高能原子的精心调整的空间内来回反射，以放大光线。这样可使有效长度达千米量级。并且同一光源在不同光线角度产生同样的相位，给干涉计增加了额外精确度。“查尔斯·H·汤斯（CharlesH.Townes）做了第一个这样的实验，他是第一个激微波制作者之一。他们1958年的实验把以太漂移的上限，包括可能的实验误差，降低到仅仅30m/s。在1974年通过三角形内修剪工具精确的激光重复实验把这个值降低到0.025m/s，并且在一个光臂上放上玻璃来测试拖拽效果。Hils和Hall在经过一年的重复实验之后，于1990年公布，各向异性的极限降低到2×10^-13。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。”------维基百科现在来看看其产生激微波的原理。最先给出跃迁辐射的内部统计机制的是爱因斯坦，nmBmnB是受激发射跃迁爱因斯坦系数，量纲为球面度·米2·焦耳-1·秒-1。其物理意义是单位时间内辐射场的单位辐射亮度下电子从高能级nE,向低能级mE,受激跃迁并释放出能量为mnEEhv的光子的几率。11212/112//2323/23kThvnmmnvnmnnmnvnmnnmnmnmnkThvvnmmnvkThvkTEEnmmnmnmnmmnvvnmnmnvmnmmnnmmnvmnmnmvnmnmnechvBWIBNdtdNWIBNdtdNRchvBAechvIBBIeeNNMBBNBNNAIIBNAIBNRRmnnmAIBNRIBNRnm概率等于吸收概率其物理意义是感生发射性与普朗克辐射率的同构考虑到分布的离散版本级分布服从在热平衡态时原子的能的概率相同的概率与电子由能级能级在热平衡状态时电子由1//,/)cos(0cveEBvcecvkEkBkrwtEE远小于电场作用时，磁场对电子的作用在电磁场强度为真实情形的一种近似色光，理想情况，也是考虑入射光场为平面单光的吸收与受激辐射232232222222222220202222202222222220)(0)()(00034----34,3434816coscos22/41,0,00,]2/)[(]2/)[(sin4,121121cosmnmnmnmnnmnmnmnmwnmnmnmwnmwnmnmwnmnmnmnmnmtnmnmnmtnmxxxnmnmnmtnmnmtwwinmnmmnnmnmtwwinmtwwinmttiwnmrcewABBBrreBBrrreDwEwwEDwwEDPdtdwwQtPdxdxxx并且可得自发辐射系数一个内禀性质与入射光强无关，它是发现受激辐射系数，吸收系数为厄米算符，所以由于辐射系数上方推导已定义，受激质涉及初态与末态间的性为奇宇称算符，此处迁速率为：得出非偏振光引起的跃密度的