1852年，迈克尔逊出生于普鲁士的斯特雷诺（今波兰），四岁时随家人移民美国。在加利福尼亚的矿业小镇长大，他自幼对精密仪器充满痴迷。1873年，他进入美国海军学院学习，却因对光学的狂热而屡屡“分心”。教授的刻度尺在他眼中仿佛跳动的光谱，实验室的玻璃棱镜成了他的玩具。一次偶然，他读到了法国物理学家菲佐测量光速的论文，那瞬间的震撼让他决心：“我要用光的波纹，丈量宇宙的奥秘。”
In 1865, Samuel Michelson’s home and store was located directly beside the historic Murphys Hotel.
中学毕业后，迈克尔逊考入美国海军学院，成为了一名物理和化学讲师。他的课堂上总是充满了实验和思考，学生们都称他为“光的追梦人”。
1873年的安纳波利斯海军学院，21岁的迈克尔逊抱着一摞光学教材匆匆穿过走廊。作为波兰移民的后裔，他瘦削的身影总与周遭的航海机械格格不入。当同期学员在绘制战舰图纸时，他却在笔记本上疯狂推算光速公式。一次航海实习中，他甚至在甲板上架起棱镜，试图用月光验证菲涅尔的理论，结果被教官罚洗整艘船的甲板。
19世纪的科学家相信，光作为一种波动，必须依赖一种名为“以太”的介质传播。若地球在以太中运动，必然会产生“以太风”，导致光在不同方向的传播速度不同。1879年，迈克尔逊读到了一封麦克斯韦的信，信中提到“地球可能在以太中漂移”。这让他兴奋不已。他开始思考：如果以太真的存在，光的传播速度应该会因为地球的运动而发生变化。于是，他决定设计一种仪器来验证这个假设。
经过无数次失败，迈克尔逊终于发明了迈克尔逊干涉仪。这种仪器利用光的干涉现象，可以精确测量光程差。他将一束光分成两束，分别沿着垂直的方向传播，再让它们重新汇合。如果地球在以太中漂移，两束光的路径长度就会不同，干涉条纹也会发生偏移。
1881年，迈克尔逊在柏林大学进行了第一次以太漂移实验，但结果让他大失所望——他没有观察到任何干涉条纹的偏移。这意味着以太可能根本不存在！然而，实验的灵敏度还不够高，他决定继续改进。
1884年，迈克尔逊与化学家爱德华·莫雷（Edward Morley）合作，进一步优化了干涉仪的设计。1887年，他们在克利夫兰的地下室里进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。他们将光路延长到11米，仔细观察地球沿轨道与“静止以太”之间的相对运动，但结果依然是否定的——没有以太漂移的迹象！
“就像在飓风中心点燃蜡烛，火焰却纹丝不动。”迈克尔逊在笔记中写道。这个“失败的实验”意外揭示出更深刻的真相：或许根本不存在以太，光速在所有惯性系中恒定——这正是爱因斯坦1905年狭义相对论的核心假设。
这一实验结果震惊了科学界。它不仅推翻了以太假说，还为爱因斯坦的相对论奠定了基础。迈克尔逊的实验被后人称为“科学史上的两朵乌云”之一，预示着经典物理学的终结和现代物理学的诞生。
1907年，诺贝尔物理学奖授予迈克尔逊，表彰他“创造精密光学仪器及在光谱学中的贡献”。他是首位获此殊荣的美国人，而颁奖词中未提“以太”，只因科学早已超越了当年的争议。
1926 年，74 岁的迈克尔逊站在威尔逊山巅，俯瞰着 35 公里外的圣安东尼奥山。他设计的八面旋转棱镜在阳光下闪烁，一束光从棱镜射出，经凹面镜反射后返回。当棱镜转速达到每秒 530 转时，望远镜中出现了清晰的光斑 —— 这是人类首次在地面精确测量光速：299796 公里 / 秒。
除了光速测量，迈克尔逊还发明了恒星干涉仪，成功测量了恒星参宿四的直径。这是人类第一次直接测量恒星的大小，开启了天文学的新篇章。
爱因斯坦评价道：
“I always think of Michelson as the artist in Science. His greatest joy seemed to come from the beauty of the experiment itself, and the elegance of the method employed. But he has also shown an extraordinary understanding for the baffling fundamental questions of physics. This is evident from the keen interest he has shown from the beginning for the problem of the dependence of light on motion.”
“我始终将迈克尔逊视为科学领域的艺术家。他最大的乐趣似乎源自实验本身的美感，以及所用方法的优雅。但他对物理学中那些令人困惑的基本问题，也展现出了非凡的理解力。这一点从他自始至终对‘光对运动的依赖性’问题所表现出的浓厚兴趣中，便可一目了然。”
人类历史上最著名的实验之一，是对光速的测量与理解。 迈克尔逊一生共进行了五次光速测量实验。首次实验于1877年在美国海军学院完成——彼时的迈克尔逊年仅25岁。最后一次实验则在他逝世的1931年完成，贯穿了他近半个世纪的科学探索生涯。
2.1光速测量
迈克尔逊最著名的成就之一是对光速的精确测量。 在其职业生涯中，他多次测定光速。凭借卓越的实验设计才能、严谨的治学态度和极致的精确性，他开创了颠覆物理学领域的革命性实验。迈克尔逊一生痴迷于光的研究。有人曾问他为何专注于研究光，他据称回答：“因为它实在太有趣了。”
阿尔伯特·迈克尔逊于1873年从美国海军学院毕业。 在海上以海军少尉身份服役两年后，迈克尔逊少尉回到学院担任物理学和化学讲师。正是在此期间，他对测量光速产生了浓厚兴趣。他了解到法国物理学家路易·菲佐（Louis Fizeau）进行的一项新实验：菲佐以每秒130转的速度旋转一面镜子，将光线从旋转的镜面反射出去，形成一道横跨巴黎的光束。 一具固定镜面捕获光束并将其反射回来。当光束返回时，菲佐通过镜子微秒级的旋转周期测量了往返所需的时间。通过将时间换算为距离，他测得光速为每秒186,200英里。 阿尔伯特·迈克尔逊决心要做得更好。
1879年6月，在数月的精密调试后，迈克尔逊准备就绪。 他的实验装置——一具透镜、一台蒸汽锅炉和两面镜子——仅耗资十美元。每次测速实验都选在日出后或日落前一小时进行，此时“光线足够稳定以获得清晰图像”。
在安纳波利斯塞文河畔的防波堤上，一座临水的储物棚内，迈克尔逊点燃锅炉。蒸汽驱动镜面旋转，起初缓慢，随后转速飙升，有时甚至让镜面脱离固定支架。最终，镜面达到每秒250转——是的，这是1879年的每秒转速纪录。
迈克尔逊将透镜对准地平线，捕获阳光并将其反射至高速旋转的镜面。光束穿透校园的树荫，在精确1985.09英尺(≈605米)外的固定镜面处相遇。此时，旋转的镜面已转过恰到好处的角度，光线灼烧般追上了这微小的偏移。
1879年，他测得光速值为299,100±50公里/秒，这一结果比福科（Foucault）的测量值（298,000±1,900公里/秒）更为精确且实验误差更小。
迈克尔逊一生中多次测量光速，其最重要的实验结果如表I所示。1926年的测量结果是最精确的，并且至今仍是光学方法测得的最精确光速值。
图1 迈克尔逊测量光速的原理图
迈克尔逊在他的实验记录中记满了各种数据 —— 测试日期、温度、镜子的转速 —— 但真正关键的数字只有一个。每次测试的结果都略有不同，但平均而言，迈克尔逊测得的光速为每秒 186319 英里，仅比一个世纪后被人们所接受的光速数值高出了 0.0002% 。
图2迈克尔逊实验数据记录表
2.2 迈克尔逊干涉仪
尽管迈克尔逊在光速测量方面的工作具有重要意义，但他物理学中不可动摇的地位，无疑主要归功于他发明的迈克尔逊干涉仪及其应用成果。 克劳德·贝尔纳曾言：“精妙的技术有时对科学的贡献，远胜于高深理论的空泛推演。”而乔治·埃勒（George Hale）也常对我说：“毕竟，物理学的进步史，本质上是新仪器技术发展的编年史。”无论这一观点是否绝对成立，干涉仪的历史充分说明：理论与实验的密不可分的合作，才是科学进步的核心动力。
1880年，迈克尔逊决定前往欧洲，当时的现代物理学研究中心。 他先后在柏林大学（1880年）师从赫尔姆霍茨（Helmholtz），在海德堡大学（1881年）跟随本生（Bunsen）和金克（Quincke），并于1882年在巴黎的法兰西学院（Collège de France）和巴黎综合理工学院（École Polytechnique）向科努（Cornu）和利普曼（Lippmann）学习。
在柏林期间，迈克尔逊对以太问题产生了浓厚兴趣。当时，以太被视为光波传播的必要介质，许多科学著作都致力于探讨其性质。在赫尔姆霍茨（Helmholtz）的鼓励下，迈克尔逊决定通过实验测量地球运动引起的“以太风”效应。为此，他发明了一种名为迈克尔逊干涉仪（图3）的装置——这一创新仪器至今仍以他的名字命名。
图3 迈克尔逊干涉仪结构
图4 干涉条纹
非相干光源（当然当时激光器尚未问世）发出的光，经垂直放置的镜面M₁、M₂与分束器O反射后，汇聚至探测器D处，此时可观察到同心圆状的干涉条纹（图4）。 这些条纹可通过人眼或望远镜系统直接观测。在非相干光源情况下，条纹由光源每个点S的两个虚拟像S₁、S₂（图5）形成。因此，当镜面M₁与M₂之间的距离发生变化时，干涉条纹会产生相应的位移。迈克尔逊发现，对这种位移的测量在多种应用中具有极高的实用性。
图5 迈克尔逊干涉原理
在静止以太假说下，当干涉仪两臂长度l₁、l₂相等时（图6），光沿两臂路径往返的总时间存在差异。 这种差异源于地球的运动。与地球运动方向平行的臂所需时间更长。当干涉仪旋转90°后，两臂位置互换，因此干涉条纹应发生可观测的位移。然而，迈克尔逊观测到的条纹位移远小于静止以太理论所预测的数值。
图6 以太风实验
1887年，迈克尔逊与莫雷（Michelson and Morley）使用特别改进的干涉仪，进行了著名的“以太漂移实验”。 为提高测量精度，他们通过多次反射将每条光路的长度从欧洲实验时的1米（图7a）大幅延长至11米（图7b）。干涉仪被安置在一个漂浮于水银上的巨大基座上，以避免固体基座可能引发的形变与振动（图7a）。
根据以太假说的预测，当干涉仪旋转90°时，干涉条纹的位移应达到单条条纹宽度的0.4倍。然而，实际观测到的位移仅为预测值的1/40。这一结果彻底否定了“以太静止假说”，成为经典物理学危机的关键实验证据.
图7 以太干涉仪结构图
2.3 迈克尔逊光谱分析
尽管干涉仪最初是专门为以太漂移实验设计的，但它很快被证明是一种极为有用且多功能的装置。 迈克尔逊与莫雷利用干涉仪，率先开始了对不同光源发出的光谱线结构与锐度的研究。迈克尔逊注意到干涉条纹的可见度V与其两臂光程差x=2|I2−I2|之间的依赖关系。
图8 干涉原理图
基于对光源时域相干性的分析，他推导出一个公式，该公式通过傅里叶变换将可见度V(x)与光源的光谱强度I(ω)联系起来。
（1）
上述公式中的可见度（visibility）定义如下：
（2)
其中，Imax和Imin分别为干涉条纹最大值与最小值的强度，相位O由光程差x引起的条纹位移定义。通过测量干涉条纹的可见度，迈克尔逊对不同蒸气源的光谱线进行了分析。他研究了这些光谱线的结构如何依赖于温度、压力，以及电磁场对光谱性质的影响。
迈克尔逊职业生涯中，没有任何一项成就比1898年发明的阶梯光谱仪更能体现其思维的独创性。 与干涉仪不同，这种仪器的成就因光谱覆盖范围极其狭窄而受限；但其通过特定方法获取高阶光谱以实现高分辨率的核心构想，在当时如此新颖，以至于全球光谱学家无不为之惊叹与折服。这一发明也充分展现了其作者对正确光谱设计要素的深刻理解。阶梯光谱仪的问世，很可能极大地激发了法布里（Fabry）与珀罗（Perrot）的灵感，促使他们通过改进这一路径实现高光谱分辨率——这一方法虽应用范围有限，却为解决更多科学问题提供了新的可能。
附26 迈克尔逊简介
阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊（Albert Abraham Michelson，1852年12月19日—1931年5月9日）是首位获得诺贝尔物理学奖的美国科学家，以光学实验和精密测量闻名于世。
1852年12月19日：迈克尔逊出生于普鲁士王国波兹南省的斯特雷诺镇（现属波兰，原名Strzelno）。父亲是犹太商人，母亲为家庭主妇。他两岁时随家人移民至美国，成长于加利福尼亚州的矿业小镇Murphy和内华达州弗吉尼亚城。4岁时随全家移民美国，先后在加利福尼亚矿业小镇和内华达州弗吉尼亚城度过童年
1869年：17岁的迈克尔逊被选入美国海军学院（位于马里兰州安纳波利斯），主修科学与工程。1873 年毕业时，因物理成绩突出被留校担任讲师，开启了对光速测量的终身研究。
1878 年，迈克尔逊利用旋转镜法测得光速为 299,910 ± 50 公里 / 秒，这是当时最精确的地面测量结果。
1879年：转至华盛顿的航海年历局（美国海军天文台前身），从事天文观测与测量工作。
1880-1882年：获准赴欧洲深造，师从著名物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）等学者，在柏林大学、海德堡大学和巴黎法兰西学院学习光学与精密测量技术。
1881年：迈克尔逊设计并改进了干涉仪（后称“迈克尔逊干涉仪”），利用光的干涉现象测量微小长度、折射率和光波波长。这一仪器成为他后续研究的核心工具。首次尝试用干涉仪进行以太漂移实验，试图探测地球在“以太”中的运动速度。实验结果未发现预期的以太风效应，但受限于仪器精度，结论不够明确。
1883 年回国后，迈克尔逊担任凯斯应用科学学院物理学教授。1887 年，他与化学家爱德华・莫雷（Edward Morley）合作改进干涉仪，进行了史上最著名的 “迈克尔逊 - 莫雷实验”。实验通过测量垂直方向光速差异，试图探测地球相对以太的运动，最终得出 零结果，否定了以太的存在，为爱因斯坦的相对论奠定了基础。
1887年后：转向光谱线结构与光源相干性的研究，利用干涉仪分析不同蒸气源（如钠、氢）的光谱线锐度与温度、压力的关系，并探索电磁场对光谱的影响。
1892年成为芝加哥大学首任物理系主任，任职至1929年。期间培养了大批物理学者，并推动光学与天文学结合，例如1920年用恒星干涉仪首次测得参宿四的直径（约太阳的300倍）
1898年：发明阶梯光栅（Echelon Spectroscope），通过高阶光谱实现高分辨率光谱分析，启发了法布里-珀罗干涉仪的诞生。
1893 年，他利用干涉仪将国际标准米尺与镉红线波长关联，提出以光波波长作为长度基准，这一方法沿用至 1960 年。
1907年获诺贝尔物理学奖，成为美国首位物理学诺奖得主。
1923 年退休后，迈克尔逊加入威尔逊山天文台，专注于天文学研究。1920 年，他与天文学家 F.G. 皮斯合作，利用改进的干涉仪首次精确测量了恒星 参宿四（Betelgeuse） 的直径，证实其直径约为太阳的 300 倍。
1926年通过多面旋镜法测得光速为299,796±4 km/s，接近现代值。因“发明精密光学仪器及在光谱学与度量学的贡献”。
1931 年 5 月 9 日，迈克尔逊在帕萨迪纳逝世。他生前获得 1907 年诺贝尔物理学奖（首位获奖的美国人），并被多国科学院授予荣誉院士，被誉为 “光学大师” 和 “科学中的艺术家。
