Альберт А. Михельсон - Albert A. Michelson

Альберт А. Михельсон
Альберт Абрахам Михельсон2.jpg
Родился ( 1852-12-19 )19 декабря 1852 г.
Умер 9 мая 1931 г. (1931-05-09)(78 лет)
Национальность Американец
Альма-матер Военно-морская академия США,
Берлинский университет
Известен Скорость света
Сверхтонкая структура
Тонкая структура
Эксперимент Майкельсона – Морли Эксперимент
Майкельсона – Гейла – Пирсона
Интерферометр
Майкельсона Звездный интерферометр Майкельсона
Супруг (а)
Маргарет Хемингуэй
( м.  1877; див.  1898)
; 3 детей
Эдна Стэнтон
( м.  1899 г.)
; 3 детей
Награды Медаль Маттеуччи (1903 г.)
Нобелевская премия по физике (1907 г.)
Медаль Копли (1907 г.)
Медаль Эллиота Крессона (1912 г.)
Медаль Генри Дрейпера (1916 г.)
Медаль Альберта (1920 г.)
Медаль Франклина (1923 г.)
Медаль и премия Дадделла (1929 г.)
Научная карьера
Поля Физика
Учреждения Кейс Вестерн Резервный университет Университет
Кларка
Чикагский университет
Докторант Герман Гельмгольц
Другие научные консультанты Георг Герман Квинке
Альфред Корню
Докторанты
Подпись
Альберт Михельсон Signature.svg

Альберт Абрахам Майкельсон FFRS H FRSE (19 декабря 1852 г. - 9 мая 1931 г.) был американским физиком, известным своими работами 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 физического факультета Чикагского университета .

Жизнь

Михельсон родился в Стшельно , Познань , Королевство Пруссия (современная Польша), в семье евреев, сына Самуэля Михельсона и его жены Розалии Пшилубской. Он переехал в США со своими родителями в 1855 году, в возрасте двух лет. Он вырос в шахтерских городках Мерфи Кэмп в Калифорнии и Вирджиния-Сити в Неваде , где его отец был торговцем. Его семья была нерелигиозной, а сам Майкельсон был агностиком на протяжении всей жизни . Он провел свои школьные годы в Сан-Франциско в доме своей тети Генриетты Леви (урожденной Михельсон), которая была матерью писательницы Харриет Лейн Леви .

Президент Улисс С. Грант наградил Майкельсона специальным назначением в Военно-морскую академию США в 1869 году. За четыре года работы гардемарином в Академии Майкельсон преуспел в оптике , тепловизоре, климатологии и техническом рисовании . После окончания в 1873 году и двух лет плавания в море, он вернулся в Военно-морскую академию в 1875 году, чтобы стать преподавателем физики и химии до 1879 года. В 1879 году он был отправлен в Управление морского альманаха в Вашингтоне (часть Военно- морской обсерватории США. ), чтобы работать с Саймоном Ньюкомом . В следующем году он получил отпуск, чтобы продолжить учебу в Европе. Он посетил университеты Берлина и Гейдельберга , а также Коллеж де Франс и Политехническую школу в Париже.

Майкельсон был увлечен наукой и, в частности, проблемой измерения скорости света . Находясь в Аннаполисе , он провел свои первые эксперименты со скоростью света в рамках классной демонстрации в 1877 году. Его эксперимент в Аннаполисе был усовершенствован, и в 1879 году он измерил скорость света в воздухе, которая составила 299 864 ± 51 километр в секунду. , и оценил скорость света в вакууме как 299 940 км / с, или 186 380 миль / с. После двух лет обучения в Европе он ушел из военно-морского флота в 1881 году. В 1883 году он принял должность профессора физики в Кейс-школе прикладных наук 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 свидетельств существования светоносного эфира . Позже он перешел к использованию астрономических интерферометров для измерения диаметра звезд и измерения расстояния между двойными звездами.

В 1889 году Майкельсон стал профессором Университета 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 .

В 1907 году Майкельсон удостоился чести стать первым американцем, получившим Нобелевскую премию по физике «за свои прецизионные оптические приборы и спектроскопические и метрологические исследования, проведенные с их помощью». Он также выиграл 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 .

Майкельсон умер в Пасадене, штат Калифорния, в возрасте 78 лет. Общежития Чикагского университета вспомнили Майкельсона и его достижения, посвятив ему «Дом Майкельсона». Кейс Вестерн Резерв посвятил ему дом Майкельсона, и Михельсон-холл (академический корпус с классами, лабораториями и офисами) в Военно-морской академии США также носит его имя. Лаборатория Майкельсона на авиабазе ВМС Китай-Лейк в Риджкресте, штат Калифорния, названа в его честь. В общедоступной части лаборатории есть экспозиция, которая включает в себя факсимиле Нобелевской медали Майкельсона, документ о присуждении премии и образцы его дифракционных решеток. В 2017 году в честь Майкельсона был переименован недавно отремонтированный научный центр физики в Чикагском университете.

Многочисленные награды, лекции и награды были учреждены во имя Альберта А. Михельсона. Некоторые из текущих наград и лекций, названных в честь Майкельсона, включают следующее: премия Бомема-Майкельсона и лекция, ежегодно представляемая до 2017 года Обществом Кобленца; премия Майкельсона-Морли и лекция, а также серия лекций Майкельсона и лекционная премия за докторскую степень Майкельсона, которые ежегодно присуждаются Университетом Кейс Вестерн Резерв ; премия А.А. Майкельсона, ежегодно присуждаемая Computer Measurement Group ; награда Альберта А. Майкельсона, присужденная Военно-морской лигой США ; и серия лекций памяти Майкельсона, ежегодно представляемых Отделом математики и естественных наук Военно-морской академии США .

Семья

В 1877 году Майкельсон женился на Маргарет Хемингуэй, дочери богатого нью-йоркского биржевого маклера и юриста и племяннице его командира Уильяма Т. Сэмпсона . У них было два сына и дочь.

В 1899 году он женился на Эдне Стэнтон. Они вырастили трех дочерей.

Скорость света

Первая страница из " Экспериментального определения скорости света" Майкельсона
Заключительная страница « Экспериментального определения скорости света» Майкельсона

Ранние измерения

Михельсон всю жизнь увлекался светом. Когда его спросили, почему он изучает свет, он ответил: «Потому что это так весело».

Еще в 1869 году, будучи офицером во флоте Соединенных Штатов , Майкельсон начал планировать повторение метода вращающегося зеркала Леона Фуко для измерения скорости света с использованием улучшенной оптики и более длинной базовой линии. Он провел некоторые предварительные измерения с использованием в значительной степени импровизированного оборудования 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.

Формальные эксперименты Майкельсона проходили в июне и июле 1879 года. Он построил каркасное здание вдоль северной морской стены Военно-морской академии для размещения оборудования. 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, что на грани согласованности с оценкой Майкельсона. Майкельсон продолжал «совершенствовать» свой метод и в 1883 году опубликовал измерение 299 853 ± 60 км / с, что гораздо ближе к показателям своего наставника.

Лейтенант командир. Альберт А. Майкельсон во время службы в ВМС США . Он вернулся в ВМС США во время Первой мировой войны, когда был сделан этот портрет.

Гора Уилсон и гора Лукаут

В 1906 году Э. Б. Роза и Национальное бюро стандартов использовали новый электрический метод, чтобы получить значение скорости света 299 781 ± 10 км / с. Хотя впоследствии было показано, что этот результат сильно искажен плохими электрическими стандартами, которые использовались в то время, похоже, что он установил моду на довольно низкие измеренные значения.

С 1920 года Майкельсон начал планировать окончательные измерения из обсерватории Маунт-Вильсон , используя базовую линию до Лукаут-Маунтин , выдающегося выступа на южном гребне горы Сан-Антонио («Старый Лысый»), примерно в 22 милях от него.

В 1922 году Берегово-геодезическая служба США начала два года кропотливого измерения базовой линии с использованием недавно доступных инварных лент. При базовой длине, установленной в 1924 году, измерения проводились в течение следующих двух лет, чтобы получить опубликованное значение 299 796 ± 4 км / с.

Какими бы известными ни были измерения, они были окружены проблемами, не в последнюю очередь из-за дымки от лесных пожаров, размывающей зеркальное изображение. Также вероятно, что интенсивно детальная работа по геодезической съемке с оценочной погрешностью менее одной миллионной доли была нарушена сдвигом базовой линии в результате землетрясения в Санта-Барбаре 29 июня 1925 г. оценочная величина 6,3 по шкале Рихтера .

Знаменитый ныне эксперимент Майкельсона – Морли также повлиял на попытки утверждения теории относительности и специальной теории относительности его коллеги Альберта Эйнштейна с использованием аналогичных оптических приборов. Эти инструменты и связанные с ними совместные работы включали участие коллег-физиков Дейтона Миллера , Хендрика Лоренца и Роберта Шенкленда .

Майкельсон, Пиз и Пирсон

Период после 1927 года ознаменовался появлением новых измерений скорости света с использованием новых электрооптических устройств, причем все они были значительно ниже, чем значения Майкельсона 1926 года.

Майкельсон искал другое измерение, но на этот раз в откачанной трубке, чтобы избежать трудностей с интерпретацией изображения из-за атмосферных эффектов. В 1929 году он начал сотрудничество с Фрэнсисом Г. Пизом и Фредом Пирсоном для проведения измерений в 1,6-километровой трубе диаметром 3 фута на ранчо Ирвин недалеко от Санта-Ана, Калифорния. При многократных отражениях путь света был увеличен до 5 миль. Впервые в истории скорость света была измерена в почти идеальном вакууме 0,5 мм рт. Ст. Майкельсон умер, когда было выполнено только 36 из 233 серий измерений, и эксперимент впоследствии был охвачен геологической нестабильностью и проблемами конденсации, прежде чем результат 299,774 ± 11 км / с, соответствующий преобладающим электрооптическим значениям, был опубликован посмертно в 1935 году.

Применение основных статистических принципов в исследовании Майкельсона скорости света

В июне и начале июля 1879 года Майкельсон усовершенствовал экспериментальные аранжировки, 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 падающий свет и под определенным углом в направлении, где размещено другое неподвижное плоское зеркало, поверхность которого перпендикулярна падающему лучу света; вращающееся зеркало должно было повернуться на угол α к тому моменту, когда луч света переместится назад и снова отразится в сторону неподвижной пластины (расстояние между неподвижным зеркалом и вращающимся записывается как D); смещение от прорези регистрируется на пластине, измеряющей d; расстояние от вращающегося зеркала до неподвижной пластины обозначается как радиус r, а количество оборотов зеркала в секунду записывается как ω. Таким образом, tan (2α) = d / r; Δt = (α / 2π) / ω; скорость света может быть получена как c = 2D / Δt.

Хотя на первый взгляд, используются четыре измеряемые величины: расстояние D, радиус r, смещение d и оборот вращающегося зеркала в секунду ω, что кажется простым; тем не менее, из-за ограничений технологии измерения в то время Майкельсон приложил большие усилия для уменьшения систематических ошибок и внесения последующих исправлений. Например, он взял стальную измерительную ленту с указанной длиной 100 футов и намеревался измерить расстояние десятки раз; Тем не менее, он измерил его длину по официальной стандартной верфи, чтобы узнать, что это 100,006 футов, что устранило систематическую ошибку, хотя и небольшую.

Помимо попыток максимально уменьшить систематические ошибки, для получения более точных результатов были выполнены повторные измерения на нескольких уровнях. Как отметили в своей статье Р. Дж. МакКей и Р. У. Олдфорд: «Ясно, что Майкельсон ценил силу усреднения для уменьшения вариабельности измерений», ясно, что Майкельсон имел в виду свойство, заключающееся в том, что средние значения различаются меньше, что должно быть формально описано как стандарт отклонение среднего n независимых случайных величин меньше, чем у одиночной случайной величины, на коэффициент квадратного корня из n. Чтобы понять это, он также стремился к тому, чтобы каждое измерение не влияло друг на друга и, таким образом, было взаимно независимыми случайными величинами .

Статистическая модель для повторных измерений с предположением о независимости или идентичных распределений нереально. В случае исследования скорости света каждое измерение рассматривается как сумма представляющей интерес величины и ошибки измерения. При отсутствии систематической ошибки ошибка измерения скорости света может быть смоделирована случайной выборкой из распределения с неизвестным математическим ожиданием и конечной дисперсией; таким образом, скорость света представлена ​​математическим ожиданием распределения модели, и конечная цель состоит в том, чтобы оценить математическое ожидание распределения модели на полученном наборе данных. Закон больших чисел предлагает оценивать математическое ожидание по выборочному среднему.

Интерферометрический эксперимент Майкельсона – Морли

В 1887 году он сотрудничал с коллегой Эдвардом Уильямсом Морли из Западного резервного университета, ныне входящего в Западный резервный университет Кейса , в эксперименте Майкельсона-Морли . Их эксперимент по ожидаемому движению Земли относительно эфира , гипотетической среды, в которой должен был перемещаться свет, привел к нулевому результату . Удивленный, Майкельсон повторил эксперимент с все большей и большей точностью в течение следующих лет, но продолжал находить неспособность измерить эфир. Результаты Майкельсона-Морли оказали огромное влияние на физическое сообщество, что побудило Хендрика Лоренца разработать свои теперь известные уравнения сжатия Лоренца как средство объяснения нулевого результата.

Были некоторые исторические разногласия по поводу того, знал ли Альберт Эйнштейн о результатах Майкельсона-Морли, когда он разработал свою специальную теорию относительности , которая объявила эфир «излишним». В более позднем интервью Эйнштейн сказал об эксперименте Майкельсона-Морли: «Я не осознавал, что он повлиял на меня напрямую ... Думаю, я просто принял как должное, что это правда». Независимо от конкретных знаний Эйнштейна, этот эксперимент сегодня считается каноническим экспериментом в отношении демонстрации отсутствия обнаруживаемого эфира.

Точность их оборудования позволила Майкельсону и Морли первыми получить точные значения тонкой структуры атомных спектральных линий, для которых в 1916 году Арнольд Зоммерфельд дал теоретическое объяснение, введя постоянную тонкой структуры .

Астрономическая интерферометрия

Оптический

Горизонтальная конструкция, установленная наверху телескопа Хукера, представляет собой звездный интерферометр Майкельсона (1920 г.). Зеркала на этой сцене (не видны на картинке) перенаправляют звездный свет из двух меньших апертур на расстоянии до 20 футов (6 м) друг от друга в телескоп.

В 1920 году Майкельсон и Фрэнсис Г. Пиз впервые измерили диаметр звезды, отличной от Солнца. Майкельсон изобрел астрономическую интерферометрию и построил такой инструмент в обсерватории Маунт Вильсон, который использовался для измерения диаметра красного гиганта Бетельгейзе . Устройство перископа использовалось для направления света от двух подзрачков, разделенных расстоянием до 20 футов (6 м), в главный зрачок 100-дюймового (2,5 м) телескопа Хукера , создавая интерференционные полосы, наблюдаемые через окуляр. После этого измерения диаметров звезд и разделения двойных звезд заняли все большую часть жизни Майкельсона.

Начиная с 1970-х годов возродилась астрономическая интерферометрия, когда конфигурации, использующие две (или более) отдельные апертуры (с малыми диаметрами по сравнению с их расстоянием), часто называются «звездной интерферометрией Майкельсона». Это должно было отличать его от спекл-интерферометрии , но не следует путать его с интерферометром Майкельсона, который является одной из распространенных конфигураций лабораторных интерферометров, примером которой был интерферометр, использованный в эксперименте Майкельсона – Морли. Концепция Майкельсона о создании интерференционного света из двух относительно небольших отверстий, разделенных значительным расстоянием (но с таким расстоянием, или базовой линией , теперь часто достигающей сотен метров), используется в современных операционных обсерваториях, таких как VLTI , CHARA и NPOI ВМС США .

Гравитационная волна

Гравитационные волны регистрируются с помощью интерферометра Майкельсона с лазерным источником света. В 2020 году в эксплуатации находились три детектора гравитационных волн с интерферометром Майкельсона, а четвертый - в стадии строительства. Эти интерферометры Майкельсона имеют плечи длиной 4 километра, расположенные 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 растягивает одну руку, укорачивая другую. Именно к этому движению интерферометры Майкельсона наиболее чувствительны. По состоянию на 2020 год с помощью этих интерферометров Майкельсона было зарегистрировано пятнадцать гравитационно-волновых событий .

Михельсон в популярной культуре

Альберт Абрахам Михельсон родился в этом городе 19 декабря 1852 года. Он был профессором Чикагского университета, лауреатом Нобелевской премии, который своими знаменитыми экспериментами со скоростью света положил начало новой эре в развитии физики. Эта мемориальная доска была местом празднования основания великой физики ». Памятная доска в Стшельно , Польша, установленная Польским физическим обществом .

В 26-м сезоне 3-го эпизода телесериала Bonanza («Взгляни на звезды», транслировавшегося 18 марта 1962 года) Бен Картрайт ( Лорн Грин ) помогает 16-летнему Майкельсону (которого играет 25-летний Дуглас Ламберт ( 1936–1986)) получить назначение в Военно-морскую академию США , несмотря на сопротивление фанатичного городского школьного учителя (которого играет Уильям Шаллерт ). Действие Бонанзы происходило в районе Вирджиния-Сити, штат Невада , где Майкельсон жил со своими родителями до отъезда в Военно-морскую академию. В голосе за кадром в конце эпизода Грин упоминает Нобелевскую премию Майкельсона 1907 года.

Дом, в котором Майкельсон жил в детстве в лагере Мерфис, Калифорния, находился в магазине его отца, сначала на Мэйн-стрит, Мерфис, Калифорния, напротив отеля Sperry & Perry, а после пожара 1859 года в магазине рядом с отелем. . Его тетя Берта Мейерс владела домом на Мэйн-стрит в восточной части города, и Майкельсон, вероятно, часто навещал там свою семью.

New Beast Theater Works в сотрудничестве с High Concept Laboratories выпустили «полуоперу» о Майкельсоне, его навязчивом стиле работы и его влиянии на его семейную жизнь. Постановка проходила с 11 по 26 февраля 2011 года в Чикаго на сцене Building Stage. Майкельсона изображал Джон Штутцман . Спектакль поставил Дэвид Марал, музыку сочинил Джошуа Дюма .

Норман Фицрой Маклин написал эссе «Бильярд - хорошая игра»; опубликовано в The Norman Maclean Reader (изд. O. Alan Weltzien, 2008), это оценка Майкельсона с выгодной позиции Маклина как аспиранта, регулярно наблюдающего, как он играет в бильярд.

Почести и награды

Памятник в Военно-морской академии США отмечает путь экспериментов Майкельсона по измерению скорости света.

Майкельсон был членом Королевского общества , Национальной академии наук, Американского физического общества и Американской ассоциации содействия развитию науки .

Группа измерений Компьютер дает ежегодный AA Майкельсона Award .

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки