日常生活中,人們已經習慣利用各種工具去測量不同長度的物體,4.588千米長的南京長江大橋,2.26米身高的姚明,4.25毫米窄邊框的iPhone6……這些都是人眼所能直接感受到的長度,但那些看不到的長度該如何測量?如何去定義百分之一頭發絲的厚度?早在一個世紀以前,這些問題就已經被一位名叫阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜的科學家解決了。
1883年,邁克爾遜為了研究當時著名的“以太”問題,利用光的干涉特性,設計并發明了第一臺邁克爾遜干涉儀。它原理很簡單,將一束光分成兩束,這兩束光經過相同距離傳播后又合到一起,這時在某些地方就會看到亮條紋,即強度是兩束光的強度之和,但也會發現有些地方觀察到暗條紋,即出現1+1=0,沒有強度,這樣就形成了條紋相間的圖案,當其中一條光束傳播距離發生變化,條紋圖案便會發生變化,當這兩束光傳播距離的差值達到光的一個波長時,圖案正好變化一次,這樣就可以用光的波長來丈量物體的長度。
不同顏色的光的波長是不一樣的,其中紅光波長約625納米,大概就是百分之一頭發絲的厚度,而綠光波長約是520納米,藍光波長約是470納米。利用這些光的波長去丈量物體的長度或物體運動的距離,正是光學精密機械的開端。后來,邁克爾遜利用自己設計的干涉儀對存放在舍夫勒(Sevres)的國際標準米尺進行測算,確定了巴黎的米尺等于1553163.5個鎘紅線的波長長度,這是人類首次獲得一種永遠不變且毀壞不了的長度基準,如此精確的測算使得邁克爾遜聞名于全球。
邁克爾遜干涉儀由于結構簡單、精度高,因而被廣泛應用于各個領域。1920年,邁克爾遜與天文學家F·G·皮斯合作,把一臺20英尺的干涉儀放在100英寸反射望遠鏡后面,制成了第一臺恒星干涉儀,用它測量獵戶座α(參宿四)的驚人的角直徑,計算出其直徑約為3.86×108千米,約30000個地球那么大,引起了科學界和媒體的關注。同時它可以制成地震檢波器,利用人工地震波,檢測油氣礦藏;可以制成光學相干層析成像儀,掃描人眼底的形貌,從而用于檢測青光眼、白內障等眼科疾病;甚至我們手中的智能手機屏幕,也可以用它來進行平面度的檢測。
1907年,邁克爾遜因“發明精密光學儀器及應用這些儀器所進行的光譜學和計量學研究”獲得諾貝爾物理學獎,他所完成的實驗都以設計精巧、精確度高而聞名,就連愛因斯坦也忍不住稱贊他為“科學中的藝術家”。