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【Podcast】科學不設限 EP.13 追求極精密的量測極限——干涉儀

熱血科學家的閒話加長-科學不設限-第十三話上線！ 【科學不設限】EP.013 失敗的實驗，為什麼成了物理史重要的一步？ 追求極精密的量測極限——干涉儀 「干涉儀」（interferometer）是利用光的干涉，來進行極度精密的量測，小到可以量出數十皮米（picometer或 pm，即 〖10〗^(-12) m）的長度，比原子還小；大到可以測量數億光年以外的黑洞相撞所產生的重力波，簡直可以說是魔法般的科學儀器。 干涉的本質在於波的疊加。只要兩道同調光的走的路徑長度不一樣，這個「光程差」會讓兩道光的相對相位改變，干涉條紋的明暗變化也會因此改變，科學家能以此變化，來回推光程差的大小。 19 世紀後期，電磁學發展逐漸完備，物理學家已經知道光其實是一種電磁波，而所有的波都有傳遞的媒介，也就是「介質」，如水波的介質就是水，聲波的介質是空氣。因此當時認為，光應該也有介質，物理學家借用古希臘的名詞，稱之為「以太」（ether）：一種充滿於整個宇宙空間，絕對靜止的物質。觀察者看到的波速，只會跟觀察者與介質之間的相對運動有關，而跟波源的速度無關。 1887年，邁克森（A. A. Michelson, 1852~1931，1907年諾貝爾物理獎得主）與莫雷（E. W. Morley, 1838~1923）用邁克森設計的干涉儀，來量測地球跟以太之間的相對速度。他們用鈉燈當光源，通過一面跟光路成 〖45〗^∘ 角的半透鏡，光在此處會被分成兩道：一道穿透過去繼續向前走（A），一道被反射往跟原來的光路垂直的路徑上（B），在這兩道光路的盡頭各放一個垂直於光線的反射鏡，將光反射回中央的半透鏡，光路 A 的反射光與光路 B 的透射光會到達圖一下方的螢幕，出現干涉條紋。 如果 A、B 兩條光路的長度一模一樣，光速也一樣（這表示地球跟以太相對靜止）的話，到達螢幕時相位相同，應該會出現標準的「建設性干涉」條紋（中央最亮）。但是如果地球相對於以太有個向右的速度 v ⃗（圖二），則兩條光路將會變得不一樣長： 如果半透鏡到光路盡頭的反射鏡的距離是 L，光速是 c，則光路 A 到達螢幕所需的時間是 T_A=L/(c-v)+L/(c+v)=2L/V(1+v^2/c^2 )；光路 B 的時間則為 T_B=2L/(√(c^2-v^2 ) )，光程差為 ΔL=c(T_A-T_B )≈(Lv^2)/c^2 。但是因為我們無法「讓地球與以太相對靜止」，所以他們把干涉儀轉 〖90〗^∘ 後重複一次，此時兩條光路角色互換，光程差會反轉，也就是兩次實驗之間的總光程差會變成兩倍，也就是 (2Lv^2)/c^2 。 如果讓 v= 地球繞太陽的速率 ≈30 km/sec，實驗中 L=11 m，代入後得到光程差為 220 奈米，大約是鈉燈波長的 0.4 倍。當光程差為半波長時，干涉條紋會完全反轉，所以差 0.4 波長，干涉條紋的變化應該已經非常明顯才對。事實上，以實驗物理學家的眼光，只要差 0.02 波長，就看得出變化了。 可是實驗結果顯示，什麼都沒有！干涉條紋完全看不出變化。結論是，地球與以太之間的相對運動速率，遠小於 30 km/sec。這個結果完全出乎意料，因為整個太陽系還以更大的速率 ≈220 km/sec 繞著銀河系中心在轉，更何況銀河系也不是靜止的，干涉條紋的變化應該會更明顯才對。這個結論幾乎可以說「地球相對於以太是靜止的」，這麼一來，又變成太陽是繞著地球轉了。難道在經過哥白尼時代數百年後，我們又要接受「地球是宇宙的中心」了嗎？ 邁克森跟莫雷這個「想量地球與以太的相對速度」的實驗，看起來是失敗了。然而在 1905 年，一位在瑞士專利局上班，默默無聞的 26 歲年輕人發表了一篇論文，他說：「量不到地球對以太的速度，是因為以太根本就不存在，光的傳播並不需要介質」。以此為開端，為物理學帶來了一場石破天驚的革命，這就是愛因斯坦（Albert Einstein, 1879~1955）跟他的「相對論」。 ＃干涉儀 ＃干涉條紋 ＃邁克森 ＃愛因斯坦 ＃相對論 ＃時空 #光 📣podcast每週二晚上更新！ https://scientists543.soci.vip/ Apple：https://reurl.cc/1ggKNG SoundOn：https://reurl.cc/2b8E59 Spotify：https://reurl.cc/Xe5mOD KKBOX Podcast：https://podcast.kkbox.com/channel/Kss... Listen Notes：https://lnns.co/_E4hUkOr1f9