4.7迈克尔孙干涉仪在线视频

接下来我们讨论迈克尔孙干涉仪

19世纪末

随着光的电磁波理论的发展

人们认为光波

需要借助一种特殊的介质来传播

就像声音需要借助空气等介质来传播一样

这种特殊的介质称为以太

由于地球相对太阳的公转

就会产生以太风

在地球上不同方向上去测量光的传播速度

就应该会有区别

美国物理学家迈克尔孙设计了一个干涉仪

期望测量这种光速在以太当中的不同

迈克尔孙和莫雷两人

以极高的实验精度重复了多次结果

却测出来地球相对以太的速度是零

这是历史上著名的物理学

晴朗天空中两朵乌云之一

迈克尔孙-莫雷实验虽然被称为

历史上著名的失败的实验

但是却以极高的精度给出了

寻找以太的零结果

使得迈克尔孙成为美国历史上

首位诺贝尔物理学奖获得者

爱因斯坦曾经赞誉道

我总认为迈克尔孙是科学中的艺术家

最大的乐趣似乎来自实验本身的优美

和所使用方法的精湛

他从来不认为自己在科学上是个严格的专家

事实上的确不是但始终是个艺术家

下面我们就来看一下迈克尔孙干涉仪

它的原理

迈克尔孙干涉仪

实际上就是两个相互垂直的平面镜

中间有分光镜来构成的

图中M₁是安装在精密导轨上的可移动平面镜

M₂则是固定的平面镜

放在与M₁垂直的壁上

在两壁相交处

是一个以两镜成45度角的平行平面玻璃G₁

G₁的后表面就镀了一层半透半反的薄膜

它使得光一半反射一半透射称为分光板

G₂是补偿板

是为了让两路光在玻璃当中

走的路程是相同的

下面我们看光的干涉是怎么形成的

从一个点光源发出的光

经过透镜之后变成平行光

照射到分光板上

到达分光板的后表面一分为二

其中一路向M₁平面镜的位置走

经过M₁反射又回到分光板

然后向前运动到观测方向

另外一路透射的光经过补偿板到达平面镜M₂

被M₂反射再经过分光板到达观测方向

这两个光是相干光

我们看它们的光程差等于多少

这种干涉可以等效为M₂平面镜

关于G₁分光板成一个虚像在M₁的前方

这个时候相当于M₁和M₂´之间

形成了平行平面薄膜

所以两路相干光它的光程差δ

就等于2dcosi

这个d就是M₂´和M₁之间的距离

而i就是指光的入射角

由于观测的时候我们一般是观察暗条纹

所以令δ=(2k＋1)λ/2

这里k等于0 1 2等等整数

下面我们注意一下干涉环的中心

干涉环中心对应的i应该等于0

它的干涉级次应该是最高的

自内向外k的级次依次递减

现在如果我们改变动镜M₁的位置

使它移动一个Δd

Δd如果等于λ/2

就会得到Δk=1

也就是会出现一级条纹的移动

那么如果我们观察到N级条纹的移动

则Δd就应该等于N乘上λ/2

由此根据干涉条纹N的变化

就可以得到Δd的移动

这是迈克尔孙干涉仪干涉的一个动态图

当我们改变M₁镜的位置

前后移动

这个时候它与M₂´之间的距离就在变化

我们可以看到

干涉条纹在陷进去或者冒出来

请大家注意

在什么时候是陷进去

在什么时候是冒出来

看出来当M₁和M₂´之间的距离在缩小的时候

条纹一个一个的往里面陷进去

反之则是一个一个的往外冒出来

迈克尔孙干涉仪

实际上它的原理被广泛的应用

2017年诺贝尔物理学奖

授予的引力波 激光干涉

实际上就是利用迈克尔孙干涉仪的原理

只不过它的路径更长

所用的光干涉性更好

这是LIGO引力波激光干涉仪的工作原理

激光沿着相互垂直的两条壁进行来回反射

反射次数可以达到400次

而臂长是4000米

所以相当于总的臂长达到1600公里

测试的质量在天花板上悬挂

激光来回往返一千六百千米之后

如果引力波引起了空间变形

就会产生干涉现象

由此可以探测到引力波的存在

这是当时的探测结果

我们注意一下

横坐标是时间

持续时间大约只有0.2秒

纵坐标则是探测到的位移

注意单位是10的-21次方米

它探测到的是两个黑洞合并

引起的引力波信号

这个引力波信号经过了十几亿年的漫长时光

完成了十几亿光年的漫长跋涉

才抵达地球

只是昙花一现的0.2秒

真实意义上的刹那即为永恒