Альберт Абрахам Михельсон FRS FRAS (фамилия произносится как Майкл-сон ; 19 декабря 1852 — 9 мая 1931) был немецко-американским физиком , известным своей работой по измерению скорости света и особенно экспериментом Майкельсона-Морли . В 1907 году он получил Нобелевскую премию по физике , став первым американцем, получившим Нобелевскую премию в области науки. Он был основателем и первым руководителем физических факультетов Школы прикладных наук Кейса (ныне Университет Кейс Вестерн Резерв ) и Чикагского университета . [3] [4] [5]
Михельсон родился в Стрелно , Познань , Королевство Пруссия (современный Стшельно, Польша), в еврейской семье [6] , сын Сэмюэля Михельсона [7] и его жены Розалии Пржилубской. [8] Он переехал в США со своими родителями в 1855 году, в возрасте двух лет. Он вырос в шахтерских городах Мерфи-Кэмп , Калифорния, и Вирджиния-Сити , Невада , где его отец был торговцем. Его семья была нерелигиозной, и сам Михельсон всю жизнь был агностиком . [ 9] [10] [11] Он провел свои школьные годы в Сан-Франциско в доме своей тети, Генриетты Леви (урожденной Михельсон), которая была матерью писательницы Харриет Лейн Леви . [12] Его сестрой была писательница Мириам Михельсон .
Президент Улисс С. Грант наградил Майкельсона специальным назначением в Военно-морскую академию США в 1869 году. [13] За четыре года службы гардемарином в Академии Майкельсон преуспел в оптике , тепле, климатологии и техническом черчении . После окончания в 1873 году и двух лет в море он вернулся в Военно-морскую академию в 1875 году, чтобы стать инструктором по физике и химии до 1879 года. В 1879 году он был направлен в Офис морского альманаха в Вашингтоне (часть Военно-морской обсерватории США ), [14] [15] [16] чтобы работать с Саймоном Ньюкомбом . В следующем году он получил отпуск, чтобы продолжить обучение в Европе. Он посетил университеты Берлина и Гейдельберга , а также Коллеж де Франс и Политехническую школу в Париже.
Майкельсон был очарован наукой, и проблемой измерения скорости света в частности. Во время учебы в Аннаполисе он провел свои первые эксперименты по скорости света в рамках демонстрации класса в 1877 году. Его эксперимент в Аннаполисе был усовершенствован, и в 1879 году [17] он измерил скорость света в воздухе, чтобы быть299 864 ± 51 километров в секунду, и оценил скорость света в вакууме как299 940 км/с , или186 380 миль/с . [18] [19] [20] После двух лет обучения в Европе он уволился из ВМФ в 1881 году. В 1883 году он принял должность профессора физики в Школе прикладных наук Кейса в Кливленде , штат Огайо, и сосредоточился на разработке усовершенствованного интерферометра . В 1887 году он и Эдвард Морли провели знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли , который не смог обнаружить доказательств существования светоносного эфира . Позже он перешел к использованию астрономических интерферометров для измерения диаметров звезд и измерения расстояний между двойными звездами.
В 1889 году Майкельсон стал профессором в Университете Кларка в Вустере , штат Массачусетс , а в 1892 году был назначен профессором и первым заведующим кафедрой физики в недавно организованном Чикагском университете . В 1902 году он был избран членом Американского философского общества . [21]
В 1907 году Майкельсон удостоился чести стать первым американцем, получившим Нобелевскую премию по физике «за его оптические точные приборы и спектроскопические и метрологические исследования, проведенные с их помощью». Он также получил медаль Копли в 1907 году, медаль Генри Дрейпера в 1916 году и золотую медаль Королевского астрономического общества в 1923 году. В его честь назван кратер на Луне . [ необходима цитата ]
Он вернулся на военную службу в последние месяцы Первой мировой войны в качестве лейтенанта-коммандера в военно-морском резерве , служа в Бюро артиллерии . Он был повышен до коммандера в резерве в мае 1919 года и был ненадолго отозван на действительную службу в 9-м военно-морском округе, прежде чем был уволен со службы 30 сентября 1921 года. [2]
Михельсон умер в Пасадене, Калифорния , в возрасте 78 лет. [22] Общежития Чикагского университета почтили память Михельсона и его достижений, посвятив ему «Дом Михельсона». Case Western Reserve посвятил ему Дом Михельсона, а Зал Михельсона (учебное здание с научными классами, лабораториями и офисами) в Военно-морской академии США также носит его имя. Лаборатория Михельсона на военно-морской авиационной станции вооружения Чайна-Лейк в Риджкресте, Калифорния, названа в его честь. В общедоступной зоне лаборатории есть экспозиция, которая включает в себя факсимиле медали Нобелевской премии Михельсона, наградной документ и примеры его дифракционных решеток. В 2017 году недавно отремонтированный центр физических исследований в Чикагском университете также был переименован в честь Михельсона. [23]
Многочисленные награды, лекции и почести были созданы в честь Альберта А. Михельсона. [24] Некоторые из текущих наград и лекций, названных в честь Михельсона, включают следующее: Премия и лекция Бомема-Михельсона, ежегодно вручаемые до 2017 года Обществом Кобленца; [25] Премия и лекция Михельсона-Морли , а также Серия лекций Михельсона [26] и Премия Михельсона за постдокторскую работу [27] , все из которых ежегодно вручаются Университетом Кейс Вестерн Резерв ; Премия А. А. Михельсона, вручаемая каждый год Группой компьютерных измерений ; [28] Премия Альберта А. Михельсона, вручаемая Военно-морской лигой Соединенных Штатов ; [29] и Серия лекций памяти Михельсона [30], вручаемая ежегодно Отделением математики и науки Военно-морской академии США .
В 1877 году Михельсон женился на Маргарет Хемингуэй, дочери богатого нью-йоркского биржевого маклера и юриста и племяннице его командира Уильяма Т. Сэмпсона . У них было двое сыновей и дочь. [31] [32]
В 1899 году он женился на Эдне Стэнтон. Они вырастили трех дочерей. [32]
Он является двоюродным дедушкой физика Питера Майкельсона . [33]
Майкельсон был очарован светом всю свою жизнь. Однажды его спросили, почему он изучает свет, и он, как говорят, ответил: «потому что это так весело». [34]
Еще в 1869 году, будучи офицером ВМС США , Майкельсон начал планировать повторение метода вращающегося зеркала Леона Фуко для измерения скорости света, используя улучшенную оптику и более длинную базовую линию. Он провел некоторые предварительные измерения, используя в основном импровизированное оборудование в 1878 году, примерно в то же время, когда его работа привлекла внимание Саймона Ньюкомба , директора Управления морского альманаха, который уже продвинулся в планировании своего собственного исследования.
Официальные эксперименты Майкельсона состоялись в июне и июле 1879 года. Он построил каркасное здание вдоль северной морской стены Военно-морской академии для размещения оборудования. [35] Майкельсон опубликовал свой результат 299 910 ± 50 км/с в 1879 году, прежде чем присоединиться к Ньюкомбу в Вашингтоне, округ Колумбия, чтобы помочь с его измерениями там. Так началось долгое профессиональное сотрудничество и дружба между ними.
Саймон Ньюкомб , с его более адекватно финансируемым проектом, получил значение 299 860 ± 30 км/с, как раз на самом краю согласованности с методом Майкельсона. Майкельсон продолжал «усовершенствовать» свой метод и в 1883 году опубликовал измерение 299 853 ± 60 км/с, гораздо ближе к результату его наставника.
В 1906 году Э. Б. Роза и Национальное бюро стандартов использовали новый электрический метод для получения значения скорости света 299 781 ± 10 км/с. Хотя впоследствии было показано, что этот результат был сильно искажен плохими электрическими стандартами, использовавшимися в то время, он, по-видимому, установил моду на довольно низкие измеренные значения.
С 1920 года Майкельсон начал планировать окончательные измерения из обсерватории Маунт-Вилсон , используя базовую линию на горе Лукаут , выступающем выступе на южном хребте горы Сан-Антонио («Старый Болди»), на расстоянии около 22 миль.
В 1922 году Береговая и геодезическая служба США начала двухлетнее кропотливое измерение базовой линии с использованием недавно доступных инварных лент. С установленной в 1924 году длиной базовой линии измерения проводились в течение следующих двух лет, чтобы получить опубликованное значение 299 796 ± 4 км/с. [37]
Как бы ни было известно это измерение, оно было сопряжено с проблемами, не последней из которых была дымка, созданная дымом от лесных пожаров, которая размывала зеркальное изображение. Также вероятно, что интенсивно детальная работа геодезической съемки с предполагаемой погрешностью менее одной части на миллион была скомпрометирована сдвигом базовой линии, возникшим в результате землетрясения в Санта-Барбаре 29 июня 1925 года, которое имело предполагаемую магнитуду 6,3 по шкале Рихтера .
Знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли также повлиял на попытки подтверждения общей теории относительности и специальной теории относительности Альберта Эйнштейна с использованием схожих оптических приборов. Эти приборы и связанное с ними сотрудничество включали участие коллег-физиков Дейтона Миллера , Хендрика Лоренца и Роберта Шенкленда .
Период после 1927 года ознаменовался появлением новых измерений скорости света с использованием новейших электрооптических приборов, все из которых оказались существенно ниже значения Майкельсона 1926 года.
Майкельсон искал другое измерение, но на этот раз в вакуумной трубке, чтобы избежать трудностей в интерпретации изображения из-за атмосферных эффектов. В 1929 году он начал сотрудничество с Фрэнсисом Г. Пизом и Фредом Пирсоном, чтобы выполнить измерение в 1,6-километровой трубке диаметром 3 фута на ранчо Ирвин около Санта-Аны, Калифорния. [38] [39] При многократных отражениях путь света был увеличен до 5 миль. Впервые в истории скорость света была измерена в почти идеальном вакууме 0,5 мм ртутного столба. Майкельсон умер, завершив только 36 из 233 серий измерений, и эксперимент впоследствии был охвачен геологической нестабильностью и проблемами конденсации до результата299 774 ± 11 км/с , что соответствует преобладающим электрооптическим значениям, было опубликовано посмертно в 1935 году. [39]
В июне и начале июля 1879 года Майкельсон усовершенствовал экспериментальные установки, разработанные Ипполитом Физо и Леоном Фуко . Экспериментальная установка была следующей: свет, генерируемый источником, направляется на вращающееся зеркало через щель на неподвижной пластине; вращающееся зеркало отражает входящий свет и под определенным углом в направлении, где расположено другое неподвижное плоское зеркало, поверхность которого перпендикулярна входящему лучу света; вращающееся зеркало должно было повернуться на угол α к тому времени, когда луч света пройдет обратно и снова отразится к неподвижной пластине (расстояние между неподвижным зеркалом и вращающимся записывается как D ); смещение от щели обнаруживается на пластине, которая измеряет d ; расстояние от вращающегося зеркала до неподвижной пластины обозначается как радиус r , а число оборотов зеркала в секунду записывается как ω . Таким образом, tan(2 α ) = d / r ; Δ t = ( α /2 π )/ ω ; скорость света можно вывести как c = 2 D /Δ t .
В то время как на первый взгляд задействованы четыре измеряемые величины: расстояние D , радиус r , смещение d и оборот вращающегося зеркала в секунду ω , что кажется простым; однако, исходя из ограничений измерительной техники того времени, Майкельсон приложил большие усилия для уменьшения систематических ошибок и применения последующих поправок. Например, он принял стальную измерительную ленту с указанной длиной 100 футов и намеревался измерить расстояние десятки раз; тем не менее, он измерил ее длину по копии официального стандартного ярда, чтобы выяснить, что она составляет 100,006 футов, тем самым устранив систематическую ошибку, хотя и небольшую.
Помимо усилий по максимально возможному снижению систематических ошибок, повторные измерения проводились на нескольких уровнях для получения более точных результатов. Как отметили в своей статье RJ MacKay и RW Oldford, [40] «Очевидно, что Майкельсон оценил силу усреднения для уменьшения изменчивости измерений», очевидно, что Майкельсон имел в виду свойство, что средние значения изменяются меньше, что должно быть формально описано как: стандартное отклонение среднего значения n независимых случайных величин меньше, чем у одной случайной величины, на коэффициент квадратного корня из n . Чтобы реализовать это, он также стремился к тому, чтобы каждое измерение не влияло друг на друга, таким образом, являясь взаимно независимыми случайными величинами .
Статистическая модель для повторных измерений с предположением о независимости или идентичных распределениях нереалистична. В случае изучения скорости света каждое измерение рассматривается как сумма интересующей величины и погрешности измерения. При отсутствии систематической ошибки погрешность измерения скорости света может быть смоделирована случайной выборкой из распределения с неизвестным ожиданием и конечной дисперсией; таким образом, скорость света представлена ожиданием модельного распределения, и конечной целью является оценка ожидания модельного распределения на полученном наборе данных. Закон больших чисел предполагает оценку ожидания по выборочному среднему. [41]
В 1887 году он сотрудничал с коллегой Эдвардом Уильямсом Морли из Университета Западного Резерва, ныне являющегося частью Университета Кейса Западного Резерва , в эксперименте Майкельсона–Морли . Их эксперимент для ожидаемого движения Земли относительно эфира , гипотетической среды, в которой, как предполагалось, распространялся свет, привел к нулевому результату . Удивленный, Майкельсон повторял эксперимент с большей и большей точностью в течение следующих лет, но по-прежнему не находил возможности измерить эфир. Результаты Майкельсона–Морли оказали огромное влияние на физическое сообщество, что привело Хендрика Лоренца к разработке его ныне знаменитых уравнений сокращения Лоренца как средства объяснения нулевого результата.
Имели место некоторые исторические разногласия по поводу того, знал ли Альберт Эйнштейн о результатах Майкельсона-Морли, когда он разрабатывал свою специальную теорию относительности , которая объявила эфир «излишним». В более позднем интервью Эйнштейн сказал об эксперименте Майкельсона-Морли: «Я не осознавал, что он оказал на меня непосредственное влияние... Я полагаю, что я просто считал само собой разумеющимся, что это правда». [42] Независимо от конкретных знаний Эйнштейна, эксперимент сегодня считается каноническим экспериментом в отношении демонстрации отсутствия обнаруживаемого эфира. [43] [44]
Точность их оборудования позволила Майкельсону и Морли первыми получить точные значения тонкой структуры в атомных спектральных линиях [45], для которых в 1916 году Арнольд Зоммерфельд дал теоретическое объяснение, введя постоянную тонкой структуры .
В 1920 году Майкельсон и Фрэнсис Г. Пиз провели первое измерение диаметра звезды, отличной от Солнца. Майкельсон изобрел астрономическую интерферометрию и построил такой инструмент в обсерватории Маунт-Вилсон , который использовался для измерения диаметра красного гиганта Бетельгейзе . Устройство перископа использовалось для направления света из двух субзрачков, разнесенных на расстояние до 20 футов (6 м), в главный зрачок 100-дюймового (2,5 м) телескопа Хукера , создавая интерференционные полосы, наблюдаемые через окуляр. После этого измерение звездных диаметров и разделений двойных звезд заняло все большую часть жизни Майкельсона.
Начиная с 1970-х годов астрономическая интерферометрия возродилась, и конфигурации, использующие две (или более) отдельных апертуры (с диаметрами, малыми по сравнению с их расстоянием), часто называют «звездной интерферометрией Майкельсона». Это было сделано для того, чтобы отличать ее от спекл-интерферометрии , но ее не следует путать с интерферометром Майкельсона , который является одной из распространенных конфигураций лабораторного интерферометра, примером которой был интерферометр, использованный в эксперименте Майкельсона–Морли. Концепция Майкельсона об интерферирующем свете из двух относительно небольших апертур, разделенных значительным расстоянием (но с этим расстоянием, или базовой линией , теперь часто достигающим сотен метров), используется в современных оперативных обсерваториях , таких как VLTI , CHARA и NPOI ВМС США .
Гравитационные волны обнаруживаются с помощью интерферометра Майкельсона с лазерным источником света. В 2020 году действовало три детектора гравитационных волн на основе интерферометра Майкельсона, а четвертый находился в стадии строительства. Эти интерферометры Майкельсона имеют плечи длиной 4 километра, установленные под углом 90 градусов друг к другу, при этом свет проходит через вакуумные трубки диаметром 1 м, проходящие по всей их длине. Проходящая гравитационная волна слегка растянет одно плечо, укорачивая другое. Именно к такому движению эти интерферометры Майкельсона наиболее чувствительны. По состоянию на 2020 год с помощью этих интерферометров Майкельсона было замечено пятнадцать событий гравитационных волн .
В 1890-х Майкельсон построил механическое устройство, названное гармоническим анализатором, для вычисления коэффициентов рядов Фурье и построения графиков их частичных сумм. Он и С. В. Стрэттон опубликовали статью об этой машине в American Journal of Science в 1898 году. [46] [47]
В 26 серии 3 сезона телесериала Bonanza («Look to the Stars», транслировалась 18 марта 1962 года) Бен Картрайт ( Лорн Грин ) помогает 16-летнему Михельсону (которого играет 25-летний Дуглас Ламберт (1936–1986)) получить назначение в Военно-морскую академию США , несмотря на противодействие фанатичного городского учителя (которого играет Уильям Шаллерт ). Действие Bonanza происходит в Вирджиния-Сити, штат Невада , и его окрестностях, где Михельсон жил со своими родителями до отъезда в Военно-морскую академию. В закадровом голосе в конце эпизода Грин упоминает Нобелевскую премию Михельсона 1907 года.
Дом, в котором Михельсон жил ребенком в Мерфис-Кэмп, Калифорния , был магазином его отца, сначала на Мейн-стрит, напротив отеля Sperry & Perry, а после пожара 1859 года — в магазине рядом с отелем. Его тетя Берта Майерс владела домом на Мейн-стрит в восточной части города, и Михельсон, вероятно, часто навещал там ее семью.
New Beast Theater Works в сотрудничестве с High Concept Laboratories выпустили «полуоперу» о Михельсоне, его навязчивом стиле работы и его влиянии на его семейную жизнь. Постановка проходила с 11 по 26 февраля 2011 года в Чикаго на сцене The Building Stage. Михельсона сыграл Джон Штутцман. Спектакль поставил Дэвид Марал, музыку написал Джошуа Дюма. [ необходима цитата ]
Норман Фицрой Маклин написал эссе «Бильярд — хорошая игра»; опубликованное в The Norman Maclean Reader (ред. О. Алан Вельтзин, 2008), оно представляет собой оценку Михельсона с точки зрения Маклина как аспиранта, регулярно наблюдавшего за его игрой в бильярд. [48]
Майкельсон был членом Королевского общества , Национальной академии наук, Американского физического общества и Американской ассоциации содействия развитию науки .
Группа компьютерных измерений ежегодно вручает премию имени А. А. Майкельсона .
Биографы Михельсона подчеркивают, что наш герой не отличался религиозностью. Его отец был свободомыслящим, а Михельсон вырос в нерелигиозной семье и не имел возможности признать веру своих предков. Он был агностиком всю свою жизнь и только в течение короткого периода он был членом 21-й ложи в Вашингтоне.
Морли был глубоко религиозным. Его первоначальное обучение было в области теологии, и он обратился к химии, хобби-самоучке, только когда не смог поступить на службу. Михельсон, напротив, был религиозным агностиком.
По религиозному вопросу Михельсон не соглашался с обоими этими людьми. Он отказался от любой веры в то, что моральные вопросы были поставлены на карту в ...
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Медиа из Commons
Цитаты из Викицитатника
Тексты из Викиресурса
