1907年的诺贝尔物理奖授予阿尔伯特.迈克生(Albert Michelson)。迈克生的得奖原因是他改良了干涉仪(interferometer),现在被称为迈克生干涉仪(Michelson interferometer)。今天回望,我们完全可以说如果没有迈克生干涉仪,就没有现代物理学和天文学。
除了天文观测方法之外,在实验室里也能够测量光速。例如使用一个旋转的齿轮遮挡来回反射的光线,在特定的转速下光线会刚好穿过齿轮的缝隙。只要知道齿轮的转速、缝隙的间距和两面反射镜的距离,就可以计算出光速。另一个光法是测量真空电容率和真空磁导率,利用麦克斯韦波动方程,我们知道光速= 1/开方(真空电容率× 真空磁导率)。
迈克生从小就着迷于测量光速。他在1870年代开始改良干涉仪去测量光速,在1883年得出光速介乎秒速299,793至299,913公里。迈克生干涉仪故名思义利用波动干涉效应,测量非常小的距离变化。旋转齿轮把量度速率变成比较容易量度的角速率以提高精确度,而迈克生采用的干涉仪靠反射来加长光线行走的距离,再量度光线的干涉(interference)程度。
干涉是波动的基本性质。波动有波峰和波谷。以水面的波浪为例,波峰是波浪的最高点、波谷是波浪的最低点,而连续两个波峰或波谷的距离就叫做波长。干涉是指两个波浪重叠在一起。两个波峰重叠就会互相叠加、波峰和波谷重叠就会互相抵消,分别叫做建设性干涉(constructive interference)和摧毁性干涉(destructive interference)。
1887年迈克生-莫雷实验中使用的干涉仪。
迈克生干涉仪是一个平台,平台中心有一块半镀银的镜子。迈克生把一束光线发射到台中心的镜子,镜子会把光束分为互相垂直的两束光线,然后会各自被另一块镜子反射回来结合回一束光线。如果两束光线行走的距离一样,最后结合的光束就会发生建设性干涉。迈克生调整镜子的距离,使两束光线行走的距离差了半个波长,就会发生摧毁性干涉。量度这个调整的距离就知道波长,而如果知道使用的光的频率,就能够以波动速率等于波长乘以频率算出光速,算出光速就知道如何定义长度,那么就有了现代物理学和天文学。