人类科学史上的唯一一次：一个“失败”的实验，获得了诺贝尔物理学奖
科学是人类文明进步的重要推动力，但科学的发展却并不是一帆风顺，在人类的科学史上，充斥着大量的失败，有意思的是，在这些“失败”之中，有一些也促进了科学的进步，比如说“迈克尔逊-莫雷实验”就是一个典型的例子。
现在的我们都知道，光具有“波粒二象性”，也就是说光同时具备“波”和“粒子”的双重性质，然而光的“波粒二象性”是在20世纪初才被发现的，而在此之前，人们一直在为光到底是“波”还是“粒子”争论不休。
进入19世纪之后，“波动说”逐渐在这场争论中占据上风，越来越多的人相信，光其实就是一种“波”，根据当时的认知，“波”的传播是必须需要介质的，比如说声波需要在空气中传播，水波需要在水中传播，所以光作为一种“波”，也必然会通过一种介质来传播。
于是人们就将这种介质称为“以太”，根据设想，“以太”在宇宙中无处不在，所有的物质都在“以太”中运动，而光也是通过“以太”来传播。
到了19世纪后半叶，“以太”这种概念早已深入人心，几乎所有的人都相信“以太”必定存在，然而从科学的角度来看，只是“相信”是没有什么说服力的，于是在1881年的时候，物理学家迈克尔逊设计了一个巧妙的实验，并试图以此来证明“以太”的存在。
迈克尔逊认为，地球围绕太阳公转，其实就是在“以太”中穿行，在这种情况下，地球就会遇到与地球公转速度相等的“以太风”迎面吹来，而由于“以太”是光传播的介质，因此在“以太风”的影响下，在地球上向不同方向发射的光的速度就会存在着一定的差异。
根据这一思路，迈克尔逊设计了一台干涉仪，如上图所示，该干涉仪由一个光源（S）、一个分光镜（A）、两个反射镜（B和C）以及一个观测屏（T）组成，当它运行起来，就是以下这种效果。
可以看到，光从光源出发后，在经过分光镜时，会分成两束相互垂直的光，接下来，这两束光在走过完全相同的距离之后，会分别由反射镜B和C反射回来，然后经过分光镜投射到观测屏，这样就可以观测到这两束光的干涉条纹了。
（注：当两束相同频率的光波相遇时，会根据相位的不同而出现光强增强或者减弱的现象，从而产生明暗相间的条纹，这就是干涉条纹）
迈克尔逊认为，由于这两束光相互垂直，它们相对于“以太”的速度肯定是不一样的，因此如果将干涉仪整体旋转90度，就可以让这两束光的速度“互换”，从而使原来的干涉条纹发生位移，只要在实验中发现了这种现象，就可以证明“以太”的存在。
（图为迈克尔逊干涉仪复原模型）
然而迈克尔逊的实验却失败了，无论他怎么捣鼓这台干涉仪，都没有发现期待中的现象。
实验的失败，是不是因为干涉仪的精度不够呢？于是在接下来的大约6年的时间里，迈克尔逊和另一位物理学家爱德华·莫雷一起设计了一个精度更高的干涉仪（相比最初的那一台，其精度整整提高了10倍），并于1887年进行了著名的“迈克尔逊-莫雷实验”。
“遗憾”的是，此次经过长时间精心准备的实验依然以失败告终，这就意味着，光速在不同惯性系以及不同方向上都是相同的，而人们之前所坚信的“以太”，很可能并不存在。
“迈克尔逊-莫雷实验”的实验结果令当时的科学界大为震动，人们在不同的地点和时间进行了大量的重复实验，精度也在不断提升，然而都得到了相同的实验结果。在此之后，虽然人们在“以太”的基础上对此提出了多种解释，但是都不足以令人信服。
爱因斯坦在1905年指出，既然光速在不同惯性系以及不同方向上都是相同的，那么“以太”就没理由存在，于是他就在以“光速不变原理”为基本假设的基础上，建立了著名的狭义相对论，从此开启了物理学的新篇章。
1907年，迈克尔逊获得了诺贝尔物理学奖，他获奖的主要原因就是“迈克尔逊-莫雷实验”，而这个实验也成为了科学史上的唯一一个，因为“失败”而获得诺贝尔物理学奖的实验。
参考文献：
魅力科学君.科学史上的唯一一次：一个“失败”的实验，获得了诺贝尔物理学奖[EB/OL].（2021-08-18）[2022-02-03].https://www.163.com/dy/article/GHN1KOD505327A12.html
迈克尔逊干涉仪，是1881年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。当M2和M1'严格平行时，表现为等倾干涉的圆环形条纹，移动M2时,会不断从干涉的圆环中心“吐出”或向中心“吞进”圆环。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”。M2和M1'不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，移动M2时，条纹不断移过视场中某一标记位置。若观察到干涉条纹移动一条，便是动臂移动量为λ/2，等效于M2和M1'之间的空气膜厚度改变λ/2。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。
除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克尔逊干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。激光干涉引力波天文台（LIGO）等诸多地面激光干涉引力波探测器的基本原理就是通过迈克尔逊干涉仪来测量由引力波引起的激光的光程变化，而在计划中的激光干涉空间天线（LISA）中，应用迈克尔逊干涉仪原理的基本构想也已经被提出。迈克尔逊干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器（Optical DPSK）的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。
在所谓非线性迈克尔逊干涉仪中，标准的迈克尔逊干涉仪的其中一条干涉臂上的平面镜被替换为一个Gires-Tournois干涉仪或Gires-Tournois标准具，从Gires-Tournois标准具出射的光场和另一条干涉臂上的反射光场发生干涉。由于Gires-Tournois标准具导致的相位变化和光波长有关，并且具有阶跃的响应，非线性迈克尔逊干涉仪有很多特殊的应用，例如光纤通信中的光学梳状滤波器。另外，迈克尔逊干涉仪的两条干涉臂上的平面镜都可以被替换为Gires-Tournois标准具，此时的非线性迈克尔逊干涉仪会产生更强的非线性效应，并可以用来制造反对称的光学梳状滤波器。
光学相干层析成像（optical coherence tomography, OCT）是20世纪90年代逐步发展而成的一种新的三维层析成像技术。OCT基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力，通过扫描可以重构出生物组织或材料内部结构的二维或三维图像，其信号对比度源于生物组织或材料内部光学反射（散射）特性的空间变化。该成像模式的核心部件包括宽带光源、迈克尔逊干涉仪和光电探测器，其轴向分辨率取决于宽带光源的相干长度，一般可以达到1-10μm，而径向分辨率与普通光学显微镜类似，决定于样品内部聚焦光斑的尺寸，一般也在微米量级。OCT具有非接触、非侵入、成像速度快（实时动态成像）、探测灵敏度高等优点。目前，OCT技术已经在临床诊疗与科学研究中获得了广泛的应用。
详细资料：
激光干涉引力波天文台（LIGO）的探测原理 - 知乎 (zhihu.com)
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如果自己的实验过程为"冒环"现象，怎么操作仪器会出现"淹没"现象？写出具体操作方法及相应原理。
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（对于"淹没"现象，有两种操作方法可以让仪器出现"冒环"现象，想一想？)
