第9章 阿尔伯特·迈克尔逊 第一位获诺贝尔奖的美国科学家

阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）被公认为现代理论物理之父。他一生致力于光的研究，锲而不舍地寻求用最精确的仪器测定光的属性，他的实验证明了光的速度是恒定的。他设计了第一台能够显示分子运动的光谱仪，他还是世界上第一位测量出天体直径的人。阿尔伯特·迈克尔逊的实验和发现对现代物理的发展产生了不可估量的影响。

1852年12月19日，阿尔伯特·迈克尔逊出生于德国统治下的普鲁士。他2岁时，全家移民美国。当时美国西部的淘金热方兴未艾，迈克尔逊的父亲在内华达州开了一家杂货店，为矿工们提供日常用品。迈克尔逊被送到旧金山上学。高中时，由于他在数理和科学上显示出过人禀赋，校长极力鼓励他报考位于安纳波利斯的美国海军学院。迈克尔逊通过了考试，但另一位与他考分相当的考生凭借家中的政治背景被优先录取。迈克尔逊不肯就此放弃。他听说海军学院通常留十个机动名额给情况特殊的考生，便决意当面向当时的美国总统格兰特争取其中的名额。1869年，未满17岁的迈克尔逊只身一人从西海岸的旧金山来到东海岸的华盛顿。他如愿以偿地见到了格兰特总统，但此时那十个名额已经全部招满了。在总统的鼓励下，迈克尔逊直接向海军学院院长提出申请。鉴于迈克尔逊突出的成绩和感人的执着精神，学校破格录取了他。

1873年，迈克尔逊以优异成绩从海军学院毕业。在军中服役两年之后，他回到母校任教。出于对光学的浓厚兴趣，他对前人测定光速的方法进行了修改，用简单的仪器测出光速为每秒钟186500英里，比以往任何科学家的结论都更精确。迈克尔逊的实验结果发表在1879年4月的《美国科学学刊》上，令科学界对这个26岁的年轻人刮目相看。1880年，为了了解光学理论的最新发展，迈克尔逊前往欧洲学习。他先后访问了柏林、海德堡等几所大学的光学研究中心。两年后，他回到美国，被聘为新成立的凯斯运用科学学院的物理教授。

在欧洲期间，迈克尔逊继续进行对光速的研究。自19世纪初以来，科学界普遍认为光以波的形式传播，其媒介被假定为一种充满宇宙的发光物质——以太，而光速便是对于以太的存在而确定的。因此当地球穿过以太围绕太阳旋转时，光速会有所不同。迈克尔逊试图通过实验证明以太对光速的影响。他设计出一种干涉仪，将单一光束分成互相垂直的两路。按照当时的光学理论，由于传播方向不同，这两束光的传播速度应该有所不同，但他的实验没有发现任何差异。迈克尔逊认为自己的实验失败，于是在访学结束时将这一课题带回美国。

1886年初，迈克尔逊和凯斯西储大学的化学教授爱德华·莫利一起用更精密的干涉仪做了相同的实验，但得到的仍是光速相同的结论。换言之，以太并不存在，而光速是恒定的。这是科学史上最重要的否定性结论，它推翻了科学家们近一百年来对宇宙的认识。大多数科学家，甚至包括迈克尔逊自己都对这一惊人发现难以接受，而另一些科学家则试图对迈克尔逊的结论做出解释。但直到将近十年后，天才的爱因斯坦才以他的狭义相对论为此提供了圆满答案。

1889年，迈克尔逊离开凯斯学院，担任了马萨诸塞州克拉克大学的物理教授。三年之后，他被新成立的芝加哥大学聘为教授和物理系主任。他在那里工作了37年，直到1929年退休。

在克拉克大学期间，迈克尔逊继续运用干涉仪进行各种实验。长期以来，光的波长以一根特殊的铁条上两点之间的距离来确定，这种方法既不准确又不可靠。迈克尔逊提出了用更精确的测量单位取代旧的光速定义。他在光谱学和光速测量上的成就为他赢得了1907年的诺贝尔物理学奖，成为第一个荣获诺贝尔奖的美国科学家。

从1891年开始，迈克尔逊尝试运用干涉仪测量天体现象及其大小。1919年，迈克尔逊设计出一种新的干涉仪，把它装在加州威尔逊山顶的天文望远镜上。这一装置首次成功地测量出太阳系以外的星球的直径，在当时引起了巨大轰动。直到晚年迈克尔逊仍然不断地改进和修正自己的实验，寻求用更精确的方法和仪器进行光学研究中的测量。他一生发表了79篇论文，是当时光学领域无可争议的权威。

尽管迈克尔逊只拿到了本科学位，但却有十一所大学，包括剑桥、耶鲁等世界一流的学术机构向他颁发荣誉博士学位。1888年，迈克尔逊被选为美国科学院院士，并于1923年到1927年间担任院长一职。此外，他还担任过美国物理学会主席和美国科学发展协会主席。迈克尔逊在世界上享有极高的声誉。他先后获得过国内外十几个科学大奖，几乎所有美国和欧洲的著名科学学会都将他聘为会员。迈克尔逊的诚实、才能和判断力得到了国际科学界的尊重。除他自己之外，从来没有人对他的实验提出任何质疑或进行重新验证。1920年，迈克尔逊与爱因斯坦在一次晚宴上同为主宾。这是两位伟大的物理学家第一次也是唯一一次会面。爱因斯坦在讲话中对迈克尔逊表示了敬意：“当你开始工作时，我还是个孩子。是你把物理学家们引上了一条新的道路，并且通过你杰出的实验为相对论的发展铺平了道路。没有你的研究工作，这个理论不过是一个有趣的推测而已。”

迈克尔逊曾经结过两次婚，有六个子女。他一生以光学为唯一目标，淡泊处世，荣辱不惊。因为沉浸于对科学的追求中，他对人对事都相当疏远，世俗的爱恨情仇、妒忌野心从来不曾左右过他，但他仍然是一位富有责任感和同情心的丈夫、父亲、朋友、同事和老师。在科学上，迈克尔逊单纯的性格表现在他对自然现象直觉的尊重和挑战自然奥秘时的大胆、执着和智慧。此外，迈克尔逊还是一位艺术家，在小提琴和水彩画上颇有造诣。在芝加哥大学时，他曾经不情愿地展出过自己的画作。一位女士告诉迈克尔逊，她认为他当年放弃艺术搞科学可能是一大错误。但迈克尔逊认为自己从未放弃过艺术，因为他相信艺术只有在科学中才能得到最高的表达。

1931年5月9日，迈克尔逊因心肌梗塞去世，享年79岁。美国著名天文学家茅尔顿在悼念文章中写道：“他从不慌张或烦躁，无论是置身科学的前沿，踏上新的研究途径，或者登上无人企及的高度，他都保持着宁静平和的风度。”