爱德华·莫雷

物理课本里，莫雷只以半个名字出现：迈克尔逊-莫雷实验，后一半。

可在他同时代的许多内行眼里，他是美国最好的化学家，也可能是他那一代人里手最巧的实验家。他花了十几年把氧的原子量量到万分之一，那才是他自认的一生事业。美国化学会给他立的纪念牌上写得明白：他从未把与迈克尔逊的合作当作自己的毕生工作。

本来要当牧师

1838 年他生在新泽西州纽瓦克，父亲是公理会牧师。十九岁以前他没进过学校，全由父母在家教；之后全家搬到马萨诸塞的威廉斯敦，好让三个儿子都进父亲的母校威廉姆斯学院。

他 1860 年毕业。那时流行一句玩笑，说他是班上第一，而第二名没有人。

1861 年他进安多弗神学院，打算做牧师。1864 年读完，正赶上内战最后一年，他去了美国卫生委员会，为北方军队的健康奔走。战后他在马萨诸塞一所中学教书，一个人教十一门课。

1868 年，他应邀去俄亥俄的特温斯堡当公理会牧师，随即被邻镇哈德逊的西储学院请去教书——化学、地质、博物、数学都归他。同年圣诞前夜，他娶了伊莎贝拉·伯德索尔。两人没有孩子。

从讲坛到实验台，就这样定了下来。他后来拿到的医学博士与哲学博士都是荣誉学位。

隔壁的迈克尔逊

1882 年，西储学院北迁三十英里到克利夫兰，改称西储大学阿德尔伯特学院，莫雷任化学与博物讲席。隔壁是凯斯应用科学学校，那里有一位年轻的物理教授：迈克尔逊。

常见的说法把莫雷也写成凯斯的教授，并不对。两人分属相邻的两所学校，1967 年两校合并，才成了今天的凯斯西储大学。

1885 年到 1889 年，两人合作了三件事：重做斐索的流水实验，验证钠光波长能否作为长度的绝对标准，以及那次以太漂移实验。

1886：水流带着光走

斐索在 1851 年做过一个实验：让光顺着流水与逆着流水各走一趟，看流水能把光速带快多少。菲涅耳的以太理论预言，流水只能带动光速的一个分数，叫拖曳系数：

$$x = 1 - \frac{1}{n^2}$$

对水而言约 0.437。

迈克尔逊与莫雷把实验做大：阁楼上放一只直径四英尺的水箱，离仪器约 23 米高，水从三英寸的管子冲下来，流过两根管子。他们测得 $0.434 \pm 0.02$。

结论写得很干脆：斐索的结果基本正确；光以太完全不受穿过它的物质运动的影响。

也就是说，以太是静止的。地球在其中穿行，就该感到「以太风」。

1887：四天的观测

迈克尔逊 1881 年在德国单独做过一次以太漂移实验，没看到效应。但巴黎的波捷随后指出他的计算有误，预期效应被高估了一倍——那次实验并不能说明什么。

1887 年两人重做，改进了两处。第一，整台仪器装在一块约 1.5 米见方、0.3 米厚的砂岩板上，石板架在环形木浮子上，浮在铸铁槽里的水银中，可以一推就缓慢地连续转动，也隔开了振动。第二，石板四角各装四面镜子，让光来回反射，光路延长到约 11 米，是 1881 年的十倍左右。光源是一盏阿尔冈灯。

他们发现，让石板一直匀速慢转、边转边读，比每读一次停一次稳得多。每组转六圈，每圈读十六个方位。

观测只有四天：1887 年 7 月 8、9、11、12 日，正午一组，傍晚六点前后一组。流行叙事里「一年四季反复测量」的场面，并不在这篇论文里。论文末尾倒是许诺，实验将每隔三个月重复一次，好消除一切不确定；这个许诺没有以两人联名论文的形式兑现。

上限，不是零

按静止以太的图像，仪器转过九十度，条纹应移动约 0.4 条。论文的原话是：实际位移「肯定小于这个值的二十分之一，很可能小于四十分之一」。

这是一个上限。因为条纹移动与速度的平方成正比，换算成速度：地球相对以太的速度很可能不到公转速度的六分之一，肯定不到四分之一。

「零结果」这个叫法是后来的简写。对于一个本该看到每秒三十公里「以太风」的实验，这个上限已经足够判决。两人自己的结论也很克制：如果地球与以太之间有相对运动，它必定很小——小到足以驳倒菲涅耳对光行差的解释。

他们驳倒的是「以太静止、地球在其中穿行」这个图像，并没有宣布以太不存在。

两个实验，一个两难

把 1886 年与 1887 年放在一起看，就知道麻烦有多大。

流水实验说：物质运动时并不带动以太，以太是静止的。漂移实验说：地球相对以太几乎不动，好像地球把附近的以太一起拖着走。两个结论都出自同一双手、同一种仪器，彼此却顶牛。

1889 年，爱尔兰的菲茨杰拉德在美国《科学》杂志上写了一封短信，说自己怀着极大兴趣读了「迈克尔逊与莫雷先生那个精妙绝伦的实验」，并提出几乎唯一能调和矛盾的假设：物体在以太中运动时，长度会按速度与光速之比的平方改变。

1892 年，洛伦兹独立提出了同样的收缩，写道自己「为解释这个实验苦思良久而不得」，最后只找到这一条路。他还特意点名：在第二次实验中，要收缩的正是那块石板。

这条路后来通向洛伦兹变换，再通向狭义相对论。实验结果日后被当作相对论的经验支柱之一；至于爱因斯坦 1905 年是否受它启发，是另一桩学术史争论，与莫雷本人无关。

和米勒把实验搬上山

迈克尔逊 1889 年离开克利夫兰。以太漂移这个题目，莫雷却没放下。

1902 年起，他与凯斯的年轻物理学家戴顿·米勒合作，专门去试菲茨杰拉德与洛伦兹的收缩：如果收缩取决于材料，松木也许比砂岩缩得多，那就能看出差别。他们先搭了一台松木结构的仪器，暖气一烘，一季下来就连五分钟的校准都保持不住，只好改成两根钢梁十字交叉、浮在水银上，镜距仍由松木杆决定。

1904 年 8 月，两人以致开尔文勋爵信件的形式在《哲学杂志》上报告初步结果：光路 32.2 米，按原理论应移动 1.4 个波长，观测了二百五十多圈，位移若有也不超过 0.015 个波长。

1905 年的正式报告有 260 组完整观测，结论是：效应若存在，不超过计算值的百分之一；松木若受影响，也与砂岩受的影响相同。

报告里还有一句：「有人认为上一次实验只证明了某间地下室里的以太被一起带着走。」于是他们把干涉仪搬到克利夫兰附近的高地上，沿预期漂移方向只罩着玻璃。要等阴天之后的阴天傍晚才能观测。1907 年的终报告写道：没有任何以太漂移穿过干涉仪的迹象。

米勒在莫雷去世后，于 1920 年代在威尔逊山宣称测到了正效应，那是米勒自己的故事；1955 年香克兰等人重新分析他的数据，认为那些位移来自统计涨落与温度影响。

氧的原子量

在莫雷自己看来，真正的大事在他的化学实验室里。

十九世纪化学家习惯以氢为 1 来标原子量，而许多元素的原子量要借它与氧的化合物来测。史密森学会秘书兰利在为莫雷专著写的前言里说：氧的原子量可以称作整个原子量体系的基线，它的一点小误差，在原子量表的高端会被乘成大误差。

莫雷先花三年造仪器，又先做了两项打底的测量：硫酸与五氧化二磷把气体干燥之后，到底还残留多少水分。然后他用两种互相独立的方法测氧与氢之比。

一是合成水。前人都是称出氢、氧、水三者中的两个，第三个用差值推算；莫雷第一次把三者都实际称了出来。二是密度比：分别测一升氧和一升氢有多重，在纬度 45° 处，一升氧 1.42900 克，一升氢 0.089873 克。

两种方法给出同一个数：

$$\frac{\mathrm{O}}{\mathrm{H}} = 15.879$$

不确定度约为万分之一。今天的对应值是 15.873。1895 年，这部专著作为《史密森知识贡献》出版，审稿人之一克拉克评价说，它可以直接跻身「精密科学的经典」。

普劳特假说

莫雷做这件事，还有一个理论上的目标：检验普劳特假说——所有元素的原子量都是氢的整数倍，氢是构成一切的原料。

如果氧恰好是 16，这个假说就好看得多。15.879 离 16 太远，远到不能归咎于误差。据《科学传记大辞典》的说法，莫雷觉得自己已经把普劳特假说埋葬了。

后来的故事比这复杂。原子量的真正含义要等同位素发现之后才清楚：化学方法量出的，是一种元素所有稳定同位素的加权平均。普劳特的直觉以「质量数接近整数」的形式部分回来了。2003 年，科学史家哈默拉专门撰文重审「莫雷之后普劳特假说已死」这一流行叙事。

晚年

1906 年莫雷退休，回到康涅狄格州西哈特福德，自己建了一间分析实验室，给地质学家伊丁斯在爪哇和苏拉威西采来的岩石做了一大批精确分析。次年，英国皇家学会授予他戴维奖章，主要表彰的是原子量测定。

他当过美国化学会会长和美国科学促进会会长，是美国国家科学院院士，一生发表五十五篇论文。1923 年 2 月 24 日他在康涅狄格去世，比妻子晚三个月，葬在马萨诸塞州皮茨菲尔德的家族墓地。

1995 年，美国化学会把他的氧原子量研究定为国家历史化学地标，纪念牌挂在阿德尔伯特楼——他的实验室就在这栋楼的地下室。