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1852年，邁克爾遜出生于普魯士的斯特雷諾（今波蘭），四歲時(shí)隨家人移民美國(guó)。在加利福尼亞的礦業(yè)小鎮(zhèn)長(zhǎng)大，他自幼對(duì)精密儀器充滿癡迷。1873年，他進(jìn)入美國(guó)海軍學(xué)院學(xué)習(xí)，卻因?qū)鈱W(xué)的狂熱而屢屢“分心”。教授的刻度尺在他眼中仿佛跳動(dòng)的光譜，實(shí)驗(yàn)室的玻璃棱鏡成了他的玩具。一次偶然，他讀到了法國(guó)物理學(xué)家菲佐測(cè)量光速的論文，那瞬間的震撼讓他決心：“我要用光的波紋，丈量宇宙的奧秘。”? ??
In 1865, Samuel Michelson’s home and store was located directly beside the historic Murphys Hotel.
中學(xué)畢業(yè)后，邁克爾遜考入美國(guó)海軍學(xué)院，成為了一名物理和化學(xué)講師。他的課堂上總是充滿了實(shí)驗(yàn)和思考，學(xué)生們都稱他為“光的追夢(mèng)人”。? ??
1873年的安納波利斯海軍學(xué)院，21歲的邁克爾遜抱著一摞光學(xué)教材匆匆穿過(guò)走廊。作為波蘭移民的后裔，他瘦削的身影總與周遭的航海機(jī)械格格不入。當(dāng)同期學(xué)員在繪制戰(zhàn)艦圖紙時(shí)，他卻在筆記本上瘋狂推算光速公式。一次航海實(shí)習(xí)中，他甚至在甲板上架起棱鏡，試圖用月光驗(yàn)證菲涅爾的理論，結(jié)果被教官罰洗整艘船的甲板。
19世紀(jì)的科學(xué)家相信，光作為一種波動(dòng)，必須依賴一種名為“以太”的介質(zhì)傳播。若地球在以太中運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)產(chǎn)生“以太風(fēng)”，導(dǎo)致光在不同方向的傳播速度不同。1879年，邁克爾遜讀到了一封麥克斯韋的信，信中提到“地球可能在以太中漂移”。這讓他興奮不已。他開(kāi)始思考：如果以太真的存在，光的傳播速度應(yīng)該會(huì)因?yàn)榈厍虻倪\(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。于是，他決定設(shè)計(jì)一種儀器來(lái)驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)。? ??
經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次失敗，邁克爾遜終于發(fā)明了邁克爾遜干涉儀。這種儀器利用光的干涉現(xiàn)象，可以精確測(cè)量光程差。他將一束光分成兩束，分別沿著垂直的方向傳播，再讓它們重新匯合。如果地球在以太中漂移，兩束光的路徑長(zhǎng)度就會(huì)不同，干涉條紋也會(huì)發(fā)生偏移。
1881年，邁克爾遜在柏林大學(xué)進(jìn)行了第一次以太漂移實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果讓他大失所望——他沒(méi)有觀察到任何干涉條紋的偏移。這意味著以太可能根本不存在！然而，實(shí)驗(yàn)的靈敏度還不夠高，他決定繼續(xù)改進(jìn)。? ??
1884年，邁克爾遜與化學(xué)家愛(ài)德華·莫雷（Edward Morley）合作，進(jìn)一步優(yōu)化了干涉儀的設(shè)計(jì)。1887年，他們?cè)诳死蛱m的地下室里進(jìn)行了著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。他們將光路延長(zhǎng)到11米，仔細(xì)觀察地球沿軌道與“靜止以太”之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但結(jié)果依然是否定的——沒(méi)有以太漂移的跡象！
“就像在颶風(fēng)中心點(diǎn)燃蠟燭，火焰卻紋絲不動(dòng)。”邁克爾遜在筆記中寫(xiě)道。這個(gè)“失敗的實(shí)驗(yàn)”意外揭示出更深刻的真相：或許根本不存在以太，光速在所有慣性系中恒定——這正是愛(ài)因斯坦1905年狹義相對(duì)論的核心假設(shè)。? ??
這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果震驚了科學(xué)界。它不僅推翻了以太假說(shuō)，還為愛(ài)因斯坦的相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)。邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)被后人稱為“科學(xué)史上的兩朵烏云”之一，預(yù)示著經(jīng)典物理學(xué)的終結(jié)和現(xiàn)代物理學(xué)的誕生。
1907年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予邁克爾遜，表彰他“創(chuàng)造精密光學(xué)儀器及在光譜學(xué)中的貢獻(xiàn)”。他是首位獲此殊榮的美國(guó)人，而頒獎(jiǎng)詞中未提“以太”，只因科學(xué)早已超越了當(dāng)年的爭(zhēng)議。
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1926 年，74 歲的邁克爾遜站在威爾遜山巔，俯瞰著 35 公里外的圣安東尼奧山。他設(shè)計(jì)的八面旋轉(zhuǎn)棱鏡在陽(yáng)光下閃爍，一束光從棱鏡射出，經(jīng)凹面鏡反射后返回。當(dāng)棱鏡轉(zhuǎn)速達(dá)到每秒 530 轉(zhuǎn)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡中出現(xiàn)了清晰的光斑 —— 這是人類首次在地面精確測(cè)量光速：299796 公里 / 秒。
除了光速測(cè)量，邁克爾遜還發(fā)明了恒星干涉儀，成功測(cè)量了恒星參宿四的直徑。這是人類第一次直接測(cè)量恒星的大小，開(kāi)啟了天文學(xué)的新篇章。
愛(ài)因斯坦評(píng)價(jià)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.”
“我始終將邁克爾遜視為科學(xué)領(lǐng)域的藝術(shù)家。他最大的樂(lè)趣似乎源自實(shí)驗(yàn)本身的美感，以及所用方法的優(yōu)雅。但他對(duì)物理學(xué)中那些令人困惑的基本問(wèn)題，也展現(xiàn)出了非凡的理解力。這一點(diǎn)從他自始至終對(duì)‘光對(duì)運(yùn)動(dòng)的依賴性’問(wèn)題所表現(xiàn)出的濃厚興趣中，便可一目了然。”
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人類歷史上最著名的實(shí)驗(yàn)之一，是對(duì)光速的測(cè)量與理解。 邁克爾遜一生共進(jìn)行了五次光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)。首次實(shí)驗(yàn)于1877年在美國(guó)海軍學(xué)院完成——彼時(shí)的邁克爾遜年僅25歲。最后一次實(shí)驗(yàn)則在他逝世的1931年完成，貫穿了他近半個(gè)世紀(jì)的科學(xué)探索生涯。? ??
2.1光速測(cè)量
邁克爾遜最著名的成就之一是對(duì)光速的精確測(cè)量。 在其職業(yè)生涯中，他多次測(cè)定光速。憑借卓越的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)才能、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和極致的精確性，他開(kāi)創(chuàng)了顛覆物理學(xué)領(lǐng)域的革命性實(shí)驗(yàn)。邁克爾遜一生癡迷于光的研究。有人曾問(wèn)他為何專注于研究光，他據(jù)稱回答：“因?yàn)樗鼘?shí)在太有趣了。”
阿爾伯特·邁克爾遜于1873年從美國(guó)海軍學(xué)院畢業(yè)。 在海上以海軍少尉身份服役兩年后，邁克爾遜少尉回到學(xué)院擔(dān)任物理學(xué)和化學(xué)講師。正是在此期間，他對(duì)測(cè)量光速產(chǎn)生了濃厚興趣。他了解到法國(guó)物理學(xué)家路易·菲佐（Louis Fizeau）進(jìn)行的一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)：菲佐以每秒130轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)一面鏡子，將光線從旋轉(zhuǎn)的鏡面反射出去，形成一道橫跨巴黎的光束。 一具固定鏡面捕獲光束并將其反射回來(lái)。當(dāng)光束返回時(shí)，菲佐通過(guò)鏡子微秒級(jí)的旋轉(zhuǎn)周期測(cè)量了往返所需的時(shí)間。通過(guò)將時(shí)間換算為距離，他測(cè)得光速為每秒186,200英里。 阿爾伯特·邁克爾遜決心要做得更好。
1879年6月，在數(shù)月的精密調(diào)試后，邁克爾遜準(zhǔn)備就緒。 他的實(shí)驗(yàn)裝置——一具透鏡、一臺(tái)蒸汽鍋爐和兩面鏡子——僅耗資十美元。每次測(cè)速實(shí)驗(yàn)都選在日出后或日落前一小時(shí)進(jìn)行，此時(shí)“光線足夠穩(wěn)定以獲得清晰圖像”。? ??
在安納波利斯塞文河畔的防波堤上，一座臨水的儲(chǔ)物棚內(nèi)，邁克爾遜點(diǎn)燃鍋爐。蒸汽驅(qū)動(dòng)鏡面旋轉(zhuǎn)，起初緩慢，隨后轉(zhuǎn)速飆升，有時(shí)甚至讓鏡面脫離固定支架。最終，鏡面達(dá)到每秒250轉(zhuǎn)——是的，這是1879年的每秒轉(zhuǎn)速紀(jì)錄。
邁克爾遜將透鏡對(duì)準(zhǔn)地平線，捕獲陽(yáng)光并將其反射至高速旋轉(zhuǎn)的鏡面。光束穿透校園的樹(shù)蔭，在精確1985.09英尺(≈605米)外的固定鏡面處相遇。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)的鏡面已轉(zhuǎn)過(guò)恰到好處的角度，光線灼燒般追上了這微小的偏移。
1879年，他測(cè)得光速值為299,100±50公里/秒，這一結(jié)果比福科（Foucault）的測(cè)量值（298,000±1,900公里/秒）更為精確且實(shí)驗(yàn)誤差更小。
邁克爾遜一生中多次測(cè)量光速，其最重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表I所示。1926年的測(cè)量結(jié)果是最精確的，并且至今仍是光學(xué)方法測(cè)得的最精確光速值。? ??
圖1 邁克爾遜測(cè)量光速的原理圖
邁克爾遜在他的實(shí)驗(yàn)記錄中記滿了各種數(shù)據(jù) —— 測(cè)試日期、溫度、鏡子的轉(zhuǎn)速 —— 但真正關(guān)鍵的數(shù)字只有一個(gè)。每次測(cè)試的結(jié)果都略有不同，但平均而言，邁克爾遜測(cè)得的光速為每秒 186319 英里，僅比一個(gè)世紀(jì)后被人們所接受的光速數(shù)值高出了 0.0002% 。
圖2邁克爾遜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表
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2.2 邁克爾遜干涉儀? ??
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盡管邁克爾遜在光速測(cè)量方面的工作具有重要意義，但他物理學(xué)中不可動(dòng)搖的地位，無(wú)疑主要?dú)w功于他發(fā)明的邁克爾遜干涉儀及其應(yīng)用成果。 克勞德·貝爾納曾言：“精妙的技術(shù)有時(shí)對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)，遠(yuǎn)勝于高深理論的空泛推演。”而喬治·埃勒（George Hale）也常對(duì)我說(shuō)：“畢竟，物理學(xué)的進(jìn)步史，本質(zhì)上是新儀器技術(shù)發(fā)展的編年史。”無(wú)論這一觀點(diǎn)是否絕對(duì)成立，干涉儀的歷史充分說(shuō)明：理論與實(shí)驗(yàn)的密不可分的合作，才是科學(xué)進(jìn)步的核心動(dòng)力。
1880年，邁克爾遜決定前往歐洲，當(dāng)時(shí)的現(xiàn)代物理學(xué)研究中心。 他先后在柏林大學(xué)（1880年）師從赫爾姆霍茨（Helmholtz），在海德堡大學(xué)（1881年）跟隨本生（Bunsen）和金克（Quincke），并于1882年在巴黎的法蘭西學(xué)院（Collège de France）和巴黎綜合理工學(xué)院（école Polytechnique）向科努（Cornu）和利普曼（Lippmann）學(xué)習(xí)。
在柏林期間，邁克爾遜對(duì)以太問(wèn)題產(chǎn)生了濃厚興趣。當(dāng)時(shí)，以太被視為光波傳播的必要介質(zhì)，許多科學(xué)著作都致力于探討其性質(zhì)。在赫爾姆霍茨（Helmholtz）的鼓勵(lì)下，邁克爾遜決定通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量地球運(yùn)動(dòng)引起的“以太風(fēng)”效應(yīng)。為此，他發(fā)明了一種名為邁克爾遜干涉儀（圖3）的裝置——這一創(chuàng)新儀器至今仍以他的名字命名。? ??
圖3 邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)
圖4 干涉條紋
非相干光源（當(dāng)然當(dāng)時(shí)激光器尚未問(wèn)世）發(fā)出的光，經(jīng)垂直放置的鏡面M?、M?與分束器O反射后，匯聚至探測(cè)器D處，此時(shí)可觀察到同心圓狀的干涉條紋（圖4）。 這些條紋可通過(guò)人眼或望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)直接觀測(cè)。在非相干光源情況下，條紋由光源每個(gè)點(diǎn)S的兩個(gè)虛擬像S?、S?（圖5）形成。因此，當(dāng)鏡面M?與M?之間的距離發(fā)生變化時(shí)，干涉條紋會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移。邁克爾遜發(fā)現(xiàn)，對(duì)這種位移的測(cè)量在多種應(yīng)用中具有極高的實(shí)用性。? ??
圖5 邁克爾遜干涉原理
在靜止以太假說(shuō)下，當(dāng)干涉儀兩臂長(zhǎng)度l?、l?相等時(shí)（圖6），光沿兩臂路徑往返的總時(shí)間存在差異。 這種差異源于地球的運(yùn)動(dòng)。與地球運(yùn)動(dòng)方向平行的臂所需時(shí)間更長(zhǎng)。當(dāng)干涉儀旋轉(zhuǎn)90°后，兩臂位置互換，因此干涉條紋應(yīng)發(fā)生可觀測(cè)的位移。然而，邁克爾遜觀測(cè)到的條紋位移遠(yuǎn)小于靜止以太理論所預(yù)測(cè)的數(shù)值。
圖6 以太風(fēng)實(shí)驗(yàn)
1887年，邁克爾遜與莫雷（Michelson and Morley）使用特別改進(jìn)的干涉儀，進(jìn)行了著名的“以太漂移實(shí)驗(yàn)”。 為提高測(cè)量精度，他們通過(guò)多次反射將每條光路的長(zhǎng)度從歐洲實(shí)驗(yàn)時(shí)的1米（圖7a）大幅延長(zhǎng)至11米（圖7b）。干涉儀被安置在一個(gè)漂浮于水銀上的巨大基座上，以避免固體基座可能引發(fā)的形變與振動(dòng)（圖7a）。? ??
根據(jù)以太假說(shuō)的預(yù)測(cè)，當(dāng)干涉儀旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，干涉條紋的位移應(yīng)達(dá)到單條條紋寬度的0.4倍。然而，實(shí)際觀測(cè)到的位移僅為預(yù)測(cè)值的1/40。這一結(jié)果徹底否定了“以太靜止假說(shuō)”，成為經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù).
圖7 以太干涉儀結(jié)構(gòu)圖
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2.3 邁克爾遜光譜分析
盡管干涉儀最初是專門為以太漂移實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，但它很快被證明是一種極為有用且多功能的裝置。 邁克爾遜與莫雷利用干涉儀，率先開(kāi)始了對(duì)不同光源發(fā)出的光譜線結(jié)構(gòu)與銳度的研究。邁克爾遜注意到干涉條紋的可見(jiàn)度V與其兩臂光程差x=2|I2?I2|之間的依賴關(guān)系。? ??
圖8 干涉原理圖
?基于對(duì)光源時(shí)域相干性的分析，他推導(dǎo)出一個(gè)公式，該公式通過(guò)傅里葉變換將可見(jiàn)度V(x)與光源的光譜強(qiáng)度I(ω)聯(lián)系起來(lái)。
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上述公式中的可見(jiàn)度（visibility）定義如下：
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其中，Imax和Imin分別為干涉條紋最大值與最小值的強(qiáng)度，相位O由光程差x引起的條紋位移定義。通過(guò)測(cè)量干涉條紋的可見(jiàn)度，邁克爾遜對(duì)不同蒸氣源的光譜線進(jìn)行了分析。他研究了這些光譜線的結(jié)構(gòu)如何依賴于溫度、壓力，以及電磁場(chǎng)對(duì)光譜性質(zhì)的影響。
邁克爾遜職業(yè)生涯中，沒(méi)有任何一項(xiàng)成就比1898年發(fā)明的階梯光譜儀更能體現(xiàn)其思維的獨(dú)創(chuàng)性。 與干涉儀不同，這種儀器的成就因光譜覆蓋范圍極其狹窄而受限；但其通過(guò)特定方法獲取高階光譜以實(shí)現(xiàn)高分辨率的核心構(gòu)想，在當(dāng)時(shí)如此新穎，以至于全球光譜學(xué)家無(wú)不為之驚嘆與折服。這一發(fā)明也充分展現(xiàn)了其作者對(duì)正確光譜設(shè)計(jì)要素的深刻理解。階梯光譜儀的問(wèn)世，很可能極大地激發(fā)了法布里（Fabry）與珀羅（Perrot）的靈感，促使他們通過(guò)改進(jìn)這一路徑實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率——這一方法雖應(yīng)用范圍有限，卻為解決更多科學(xué)問(wèn)題提供了新的可能。? ??
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附26 邁克爾遜簡(jiǎn)介
阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜（Albert Abraham Michelson，1852年12月19日—1931年5月9日）是首位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的美國(guó)科學(xué)家，以光學(xué)實(shí)驗(yàn)和精密測(cè)量聞名于世。
1852年12月19日：邁克爾遜出生于普魯士王國(guó)波茲南省的斯特雷諾鎮(zhèn)（現(xiàn)屬波蘭，原名Strzelno）。父親是猶太商人，母親為家庭主婦。他兩歲時(shí)隨家人移民至美國(guó)，成長(zhǎng)于加利福尼亞州的礦業(yè)小鎮(zhèn)Murphy和內(nèi)華達(dá)州弗吉尼亞城。4歲時(shí)隨全家移民美國(guó)，先后在加利福尼亞礦業(yè)小鎮(zhèn)和內(nèi)華達(dá)州弗吉尼亞城度過(guò)童年? ??
1869年：17歲的邁克爾遜被選入美國(guó)海軍學(xué)院（位于馬里蘭州安納波利斯），主修科學(xué)與工程。1873 年畢業(yè)時(shí)，因物理成績(jī)突出被留校擔(dān)任講師，開(kāi)啟了對(duì)光速測(cè)量的終身研究。
1878 年，邁克爾遜利用旋轉(zhuǎn)鏡法測(cè)得光速為 299,910 ± 50 公里 / 秒，這是當(dāng)時(shí)最精確的地面測(cè)量結(jié)果。
1879年：轉(zhuǎn)至華盛頓的航海年歷局（美國(guó)海軍天文臺(tái)前身），從事天文觀測(cè)與測(cè)量工作。
1880-1882年：獲準(zhǔn)赴歐洲深造，師從著名物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）等學(xué)者，在柏林大學(xué)、海德堡大學(xué)和巴黎法蘭西學(xué)院學(xué)習(xí)光學(xué)與精密測(cè)量技術(shù)。
1881年：邁克爾遜設(shè)計(jì)并改進(jìn)了干涉儀（后稱“邁克爾遜干涉儀”），利用光的干涉現(xiàn)象測(cè)量微小長(zhǎng)度、折射率和光波波長(zhǎng)。這一儀器成為他后續(xù)研究的核心工具。首次嘗試用干涉儀進(jìn)行以太漂移實(shí)驗(yàn)，試圖探測(cè)地球在“以太”中的運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)預(yù)期的以太風(fēng)效應(yīng)，但受限于儀器精度，結(jié)論不夠明確。
1883 年回國(guó)后，邁克爾遜擔(dān)任凱斯應(yīng)用科學(xué)學(xué)院物理學(xué)教授。1887 年，他與化學(xué)家愛(ài)德華?莫雷（Edward Morley）合作改進(jìn)干涉儀，進(jìn)行了史上最著名的 “邁克爾遜 - 莫雷實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量垂直方向光速差異，試圖探測(cè)地球相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)，最終得出 零結(jié)果，否定了以太的存在，為愛(ài)因斯坦的相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)。? ??
1887年后：轉(zhuǎn)向光譜線結(jié)構(gòu)與光源相干性的研究，利用干涉儀分析不同蒸氣源（如鈉、氫）的光譜線銳度與溫度、壓力的關(guān)系，并探索電磁場(chǎng)對(duì)光譜的影響。
1892年成為芝加哥大學(xué)首任物理系主任，任職至1929年。期間培養(yǎng)了大批物理學(xué)者，并推動(dòng)光學(xué)與天文學(xué)結(jié)合，例如1920年用恒星干涉儀首次測(cè)得參宿四的直徑（約太陽(yáng)的300倍）
1898年：發(fā)明階梯光柵（Echelon Spectroscope），通過(guò)高階光譜實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜分析，啟發(fā)了法布里-珀羅干涉儀的誕生。
1893 年，他利用干涉儀將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)米尺與鎘紅線波長(zhǎng)關(guān)聯(lián)，提出以光波波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，這一方法沿用至 1960 年。? ??
1907年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為美國(guó)首位物理學(xué)諾獎(jiǎng)得主。
1923 年退休后，邁克爾遜加入威爾遜山天文臺(tái)，專注于天文學(xué)研究。1920 年，他與天文學(xué)家 F.G. 皮斯合作，利用改進(jìn)的干涉儀首次精確測(cè)量了恒星 參宿四（Betelgeuse） 的直徑，證實(shí)其直徑約為太陽(yáng)的 300 倍。
1926年通過(guò)多面旋鏡法測(cè)得光速為299,796±4 km/s，接近現(xiàn)代值。因“發(fā)明精密光學(xué)儀器及在光譜學(xué)與度量學(xué)的貢獻(xiàn)”。
1931 年 5 月 9 日，邁克爾遜在帕薩迪納逝世。他生前獲得 1907 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（首位獲獎(jiǎng)的美國(guó)人），并被多國(guó)科學(xué)院授予榮譽(yù)院士，被譽(yù)為 “光學(xué)大師” 和 “科學(xué)中的藝術(shù)家。
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