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第48章 其他光学家(2)

迈克尔逊的名字是和迈克尔逊干涉仪及迈克尔逊—莫雷实验联系在一起的,实际上这也是迈克尔逊一生中最重要的贡献。在迈克尔逊的时代,人们认为光和一切电磁波必须借助绝对静止的“以太”进行传播,而“以太”是否存在以及是否具有静止的特性,在当时还是一个谜。有人试图测量地球对静止“以太”的运动所引起的“以太风”,来证明以太的存在和具有静止的特性,但由于仪器精度所限,遇到了困难。麦克斯韦曾于1879年写信给美国航海年历局的D.P.托德,建议用罗默的天文学方法研究这一问题。迈克尔逊知道这一情况后,决心设计出一种灵敏度提高到亿分之一的方法,测出有关的效应。

1881年他在柏林大学亥姆霍兹实验室工作,为此他发明了高精度的迈克尔逊干涉仪,进行了著名的以太漂移实验。他认为若地球绕太阳公转相对于以太运动时,其平行于地球运动方向和垂直地球运动方向上,光通过相等距离所需时间不同,因此在仪器转动90°时,前后两次所产生的干涉必有0.04条条纹移动。1881年迈克尔逊用最初建造的干涉仪进行实验,这台仪器的光学部分用蜡封在平台上,调节很不方便,测量一个数据往往要好几小时。实验得出了否定结果。1884年在访美的瑞利、开尔文等的鼓励下,他和化学家莫雷合作,提高干涉仪的灵敏度,得到的结果仍然是否定的。1887年他们继续改进仪器,光路增加到11米,花了整整5天时间,仔细地观察地球沿轨道与静止以太之间的相对运动,结果仍然是否定的。这一实验引起科学家的震惊和关注,与热辐射中的“紫外灾难”并称为“科学史上的两朵乌云”。随后有10多人前后重复这一实验,历时50年之久。对它的进一步研究,导致了物理学的新发展。

迈克尔逊的另一项重要贡献是对光速的测定。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约35千米长的光路上进行的,其值为(299796±4)千米/秒。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。

1920年迈克尔逊和天文学家F.G.皮斯合作,把一台20英尺(约6米)的干涉仪放在100英寸(约254米)反射望远镜后面,构成了恒星干涉仪,用它测量了恒星参宿四(即猎户座一等变光星)的直径,它的直径相当大,为2.50×108英里(1英里=1.6093千米),约为太阳直径的300倍。此方法后被用来测定其他恒星的直径。

迈克尔逊迈克尔逊的第一个重要贡献是发明了迈克尔逊干涉仪,并用它完成了著名的迈克尔逊—莫雷实验。按照经典物理学理论,光乃至一切电磁波必须借助静止的以太来传播。地球的公转产生相对于以太的运动,因而在地球上两个垂直的方向上,光通过同一距离的时间应当不同,这一差异在迈克尔逊干涉仪上应产生0.04个干涉条纹移动。1881年,迈克耳逊在实验中未观察到这种条纹移动。1887年,迈克尔逊和著名化学家莫雷合作,改进了实验装置,但仍未发现条纹有任何移动。这次实验的结果暴露了以太理论的缺陷,动摇了经典物理学的基础,为狭义相对论的建立铺平了道路。

迈克尔逊是第一个倡导用光波的波长作为长度基准的科学家。1892年迈克尔逊利用特制的干涉仪,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。

在光谱学方面,迈克尔逊发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构,这一发现在现代原子理论中起了重大作用。迈克尔逊还运用自己发明的“可见度曲线法”对谱线形状与压力的关系、谱线展宽与分子自身运动的关系作了详细研究,其成果对现代分子物理学、原子光谱和激光光谱学等新兴学科都产生了重大影响。1898年,他发明了一种阶梯光栅来研究塞曼效应,其分辨本领远远高于普通的衍射光栅。

迈克尔逊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”。

李普曼

李普曼(1845~1921年)因发明基于干涉现象的彩色照相术,获得了1908年度诺贝尔物理学奖。

李普曼

李普曼是法国著名的物理学家,1845年8月16日出生于卢森堡。父亲是洛林人,母亲是阿尔萨斯人。他俩都在卢森堡的贵族官府里当家庭教师,生活是优裕的。但是他们深感自己是法国人,理应使儿子在祖国的怀抱里教养成人。在李普曼三岁时,尽管主人再三挽留,他的父母还是辞职离开了卢森堡,回到法国,在巴黎文化气氛最浓厚的拉丁区安了家。

李普曼生在这样一个书香之家,父母又都是踏踏实实、谦虚谨慎、有教养的人。他们对待学问的态度是严肃认真、一丝不苟的。这对李普曼思想品德的形成起了潜移默化的作用。李普曼胸怀大志,又能埋头苦干。他在1868年考上了巴黎高等师范学校教育系,但是由于他对数理表现出很浓厚的兴趣,所以在第二年就转入物理系。在此后的10年里,他对物理学各方面都有所探究,特别是对实验物理学做出了很多贡献。1882年,他应聘当了巴黎大学数理教授,后来由于他在实验物理学方面取得了优异成绩而名扬国内外。1886年他被选为法国科学院院士。

1891年,李普曼发明了彩色照片的复制方法,即彩色照相干涉法。该法不用染料和颜料,而是利用各种不同波长的天然颜色。李普曼是这样描述他的彩色照相法的:“把带有灵敏照相胶片的平板放入一个装有水银的盒子中,在曝光期间,水银与该灵敏的胶片接触,形成了一个反射面。曝光后,按照普通方法把感光板进行处理,待该板干了以后,颜色就出现了。这种色彩可以通过反射看见,且永久不褪,这一结果是因为在灵敏胶片内部发生了干涉现象。在曝光期间,入射光与被反射面反射的光线发生干涉,从而在半个波长处形成了干涉条纹。正是这些条纹通过照相法记录在胶片中,从而留下了投射光线特征。当以后用白光照射观察底片时,由于选择反射的原因,底片上的每一点只把那些已记录在其上经过选择了的颜色反射到人们眼中,而其他颜色都通过干涉相消。因此,人们在照片上每一点都看到了像所呈现的颜色,而这仅仅是一种选择反射现象。照片本身是由没有彩色的物质构成的。”

由于这种彩色照相干涉法需要较长的曝光时间,而且产生的颜色不饱和,因而这一方法最终被麦克斯韦的三色照相法所取代,但仍是彩色摄影进展中的重要一步。

李普曼在物理学上造诣很深,研究的范围也很广,特别是电学、热学、光学和光电学的研究,成绩卓著,当时欧洲科学界公认他是权威。

1912年,李普曼被选为法国科学院院长。1921年,李普曼去加拿大和美国讲学,在国外生了病,返回途中于7月13日逝世。

拉曼

拉曼(1888~1970年),因光散射方面的研究工作和拉曼效应的发现,获得了1930年度的诺贝尔物理学奖。

拉曼拉曼是印度人,是第一位获得诺贝尔物理学奖的亚洲科学家。拉曼还是一位教育家,他从事研究生的培养工作,并将其中很多优秀人才输送到印度的许多重要岗位。

拉曼1888年11月7日出生于印度南部的特里奇诺波利。父亲是一位大学数学、物理教授,自幼对他进行科学启蒙教育,培养他对音乐和乐器的爱好。

拉曼天资出众,16岁大学毕业,以第一名获物理学金奖。19岁又以优异成绩获硕士学位。1906年,他仅18岁,就在英国著名科学杂志《自然》发表了论文,是关于光的衍射效应的。由于生病,拉曼失去了去英国某个著名大学作博士论文的机会。独立前的印度,如果没有取得英国的博士学位,就没有资格在科学文化界任职。但会计行业是惟一的例外,不需先到英国受训。于是拉曼就投考财政部以谋求职业,结果获得第一名,被授予总会计助理的职务。

拉曼在财政部工作很出色,担负的责任也越来越重,但他并不想沉浸在官场之中。他念念不忘自己的科学目标,把业余时间全部用于继续研究声学和乐器理论。加尔各答有一所学术机构,叫印度科学教育协会,里面有实验室,拉曼就在这里开展他的声学和光学研究。经过10年的努力,拉曼在没有高级科研人员指导的条件下,靠自己的努力作出了一系列成果,也发表了许多论文。

1917年,加尔各答大学破例邀请他担任物理学教授,使他从此能专心致力于科学研究。他在加尔各答大学任教16年期间,仍在印度科学教育协会进行实验,不断有学生、教师和访问学者到这里来向他学习、与他合作,逐渐形成了以他为核心的学术团体。许多人在他的榜样和成就的激励下,走上了科学研究的道路。其中有著名的物理学家沙哈和玻色。这时,加尔各答正在形成印度的科学研究中心,加尔各答大学和拉曼小组在这里面成了众望所归的核心。1921年,由拉曼代表加尔各答大学去英国讲学,说明了他们的成果已经得到了国际上的认同。

1934年,拉曼和其他学者一起创建了印度科学院,并亲任院长。1947年,又创建拉曼研究所。他在发展印度的科学事业上立下了丰功伟绩。拉曼抓住分子散射这一课题是很有眼力的。在他持续多年的努力中,显然贯穿着一个思想,这就是:针对理论的薄弱环节,坚持不懈地进行基础研究。拉曼很重视发掘人才,从印度科学教育协会到拉曼研究所,在他的周围总是不断涌现着一批批富有才华的学生和合作者。就以光散射这一课题统计,在30年中间,前后就有66名学者从他的实验室发表了377篇论文。他对学生淳淳善诱,深受学生敬仰和爱戴。拉曼爱好音乐,也很爱鲜花异石。他研究金刚石的结构,耗去了他所得奖金的大部分。晚年致力于对花卉进行光谱分析。在他80寿辰时,出版了他的专集:《视觉生理学》。拉曼喜爱玫瑰胜于一切,他拥有一座玫瑰花园。拉曼1970年逝世,享年82岁,按照他生前的意愿火葬于他的花园里。

在X射线的康普顿效应发现以后,海森堡曾于1925年预言:可见光也会有类似的效应。1928年,拉曼在《一种新的辐射》一文中指出:当单色光定向地通过透明物质时,会有一些光受到散射。散射光的光谱,除了含有原来波长的一些光以外,还含有一些弱的光,其波长与原来光的波长相差一个恒定的数量。这种单色光被介质分子散射后频率发生改变的现象,称为并合散射效应,又称为拉曼效应。这一发现,很快就得到了公认。英国皇家学会正式称之为“20年代实验物理学中最卓越的三四个发现之一”。

拉曼效应为光的量子理论提供了新的证据。后人研究表明,拉曼效应对于研究分子结构和进行化学分析都是非常重要的。

在光的散射现象中有一特殊效应,和X射线散射的康普顿效应类似,光的频率在散射后会发生变化。频率的变化决定于散射物质的特性。这就是拉曼效应,是拉曼在研究光的散射过程中于1928年发现的。在拉曼和他的合作者宣布发现这一效应之后几个月,前苏联的兰兹伯格和曼德尔斯坦也独立地发现了这一效应,他们称之为联合散射。拉曼光谱是入射光子和分子相碰撞时,分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果,利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。因此拉曼光谱作为红外光谱的补充,是研究分子结构的有力武器。

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