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然后把房里的灯关掉，凑近观看小球的影子，就会发现正中间的确有一个微弱的亮斑，如图12.7所示。我们还能看到小球和钢针在它们周围引起的衍射条纹。如果小球的直径更小一点，我们还能看到影子中间除了泊松亮斑以外，还有一些同心的明亮圆环，这些也都是衍射光干涉形成的。
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图12.7 观察泊松亮斑
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在科学史上，另外一个具有重要影响的光干涉仪器叫做迈克尔逊干涉仪。19世纪末，美国物理学家迈克尔逊通过一系列光的干涉实验，证明光在任何参考系中的速度都是恒定的。这为后来爱因斯坦先生提出狭义相对论奠定了实验基础。这个干涉仪的构造如图12.8所示。激光笔发出的激光射向反射镜A，但是在遇到反射镜之前，它首先碰到了一块分光镜（允许一部分光通过，一部分光反射的镜子。一块普通的玻璃就可以用作分光镜），一部分透过分光镜继续前进，一部分被反射，转而朝反射镜B运动。这两束光抵达镜A和镜B以后，被完全反射。从A过来的光遇到分光镜，一部分被反射向左边；从B过来的光遇到分光镜，一部分透过它继续前进。然后这两束光最后在干涉屏上相遇。取决于各自经历的路程差是光波波长的整数倍还是整数加1/2倍，它们要么干涉相长（路程相差波长的整数倍），要么干涉相消（路程相差波长的整数加1/2倍），在屏上形成美丽的条纹。由于从干涉相长到干涉相消只相差1/2个波长，这些条纹对于光所经过的路程长度的微小变化非常敏感。如果某个反射镜移动了几百纳米，我们就能看到干涉条纹移动非常明显（红色激光波长为650nm左右）。所以我们可以用它来测量非常精细的振动。
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图12.8 迈克尔逊干涉仪
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如此高精度的仪器，我们自己做一个其实也不难。找来两块小镜子，一块玻璃片（如显微镜用的载玻片）就可以了，见图12.9。把两块镜子拼成一个直角（要求不严格），把玻璃片用一个焊接台夹住，方便调整其位置。激光二极管的聚焦头稍微拧开一些，这样照射到反射镜上的就是一个比较大的光斑而不是一个点。
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图12.9 自制迈克尔逊干涉仪
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通过这个装置照射到干涉屏（可以是白色的墙壁或者一张白纸），我们可以看到如图12.10（A）所示的两个光斑，一般情况下，这两个光斑并不重合。这时，我们就需要小心调整分光镜的位置和角度，来使得这两个光斑尽量靠在一起。这时候可以用光斑上的一些结构来充当向导，比如图12.10（A）中光斑左下部分有一个圆形结构，这可能是激光聚焦透镜上的一些小灰尘引起的。在调整分光镜时，就可以努力让这两个光斑中的圆形结构重合。当它们接近完全重合时，我们就能看到如图12.10（B）所示美丽的圆环形干涉条纹了。
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图12.10 干涉条纹的形成
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这个调整的过程需要耐心和细致，因为两个光斑稍微错开一点，干涉条纹就消失了。为了能够更精确地调节光斑的位置，我们需要一种可以细致调节分光镜或者反射镜形态的装置。当年我在亚利桑那大学物理系厮混时，那里有丰富的机械加工条件，所以我就得以制作了如图12.11所示，看起来颇为专业的迈克尔逊干涉仪。你可以看到，这里分光镜是固定的，两面反射镜的倾角可以通过旋转它背后的3根螺丝钉来调整。反射镜粘贴在一块小木板上，小木板通过一根弹簧连接到L形铝制固定架上，3根螺丝钉抵住小木板，使得弹簧稍微拉伸。这样旋转螺丝钉就能细微地改变反射镜的角度，从而调整光斑的位置就变得轻而易举了。实际上这种调节装置在真正的光学研究中应用很广泛，通过螺丝，把沿某一个方向的直线运动转换成其垂直方向的圆周运动，实现了把微小位移放大的作用（我们拧一圈螺丝，它只在直线方向上运动很小一段距离）。
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图12.11 更专业的迈克尔逊干涉仪
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探索与发现
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迈克尔逊干涉仪以其超高的灵敏度，被科学家们用来探测非常微小的距离变化。目前一项多国科学家参与的大科学项目LIGO（Light Interferometer Gravitational Wave Observatory，光干涉引力波观测台），就是数台散布于全球的巨型迈克尔逊干涉仪（见图12.12）。这些干涉仪的反射镜与分光镜之间的距离在3～4km，它们的目的是想探测空间距离在引力波的作用下出现的微小伸缩。根据爱因斯坦先生的广义相对论，遥远的，大质量的星星们在绕着彼此旋转的过程中，会释放出引力波，就像声波一样在空间里传播。声波是空气的周期性压缩和扩张的过程，而引力波则是空间与时间的周期性压缩和扩张的过程。这样的引力波到达地球时，就会引起LIGO两面反射镜与分光镜之间的距离的变化，从而导致干涉条纹的移动。目前，这个实验正在进行之中。
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图12.12 位于美国华盛顿州的一台LIGO巨型迈克尔逊干涉仪。图片取自www.ligo.org
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话说人类对于光的认识的发展从未停止过，自从泊松亮斑被观察到以后，菲涅耳关于光是一种波动的理论开始被大家广泛接受并运用，但是这种波动究竟是啥东西在运动却并不明了（如我们知道声波是空气分子在运动）。数年之后，英国理论物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）先生根据法拉第等实验物理学家的观察结果，写下了著名的描述电磁波的麦克斯韦方程组（我们在逆磁悬浮那一章讨论过），并指出光其实就是人眼可见的电磁波（波长处于390～790nm）。于是民间流传着这么一句话：“God said: let there be Maxwell! And there was light.”
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光的波动理论至此算是功德圆满，登峰造极了。然而凡事都是乐极生悲，在19世纪末期，几个奇怪的实验结果困扰着笃信光的波动理论的人们：一个是光电效应，一个是黑体辐射（我们将在后面“给太阳量体温”一章中讨论黑体辐射）。实验科学家们观察到，当蓝光，或者紫外光照射到金属表面时，能够激发出电子来，这被称为光电效应。这倒是不难理解，光波的能量被电子吸收了，从而电子可以逃脱金属晶体中带正电的粒子的吸引。但是，奇怪的是这些逃脱出来的电子的动能与入射光的明亮程度无关，只与它们的颜色（即频率）有关。而且用同一颜色的光照射金属，发射出来的电子的动能总是一致的。按照光的波动理论，越明亮的光能量越强，那么被它照射到的电子就会吸收更多的能量，从而逃脱出来时应该具有更大的动能；而且电子也可以呆在金属体内积累一些光波的能量后再跑出来，这个积累的时间可长可短，所以逃脱出的电子的动能应该有一定的分布，而不是单一值。
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这些实验的结果导致了人们不得不重新审视光的波动理论。然而传统观念深入人心，哪里是那么容易找到突破口的？幸亏这时有一位传统知识学得不好的年轻人横空出世了，这便是爱因斯坦先生，还有与之同时代的普朗克先生（Max Plank），他们分别在处理光电效应和黑体辐射这两个问题上找到了突破口。他们的新理论指出，光的能量是一份一份的在空间中传播的，这每一份不能再被细分，也不能两份拼凑在一起组成一份。这一份光的能量就像是一个粒子一样，我们称为光子（Photon）或光的量子。每个光子的能量与组成它的电磁波的频率成正比，E=hv，其中E是这个光子的能量，v是它的频率，h是一个比例常数，称为普朗克常数（h≈6.63x10-34J · s）。这样，光电效应的所有谜题都得到了完美的解释。正因为光子的能量只与其相应电磁波的频率有关，而与其亮度（单位体积内的光子个数）无关，所以逃脱出来的电子的动能只与入射光的颜色有关。也正因为光子的能量是一份一份的，每一份都相同（对于单色光），所以逃脱出来的电子的动能是单一值。
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