 |
Майкельсон, Альберт Абрахам Michelson, Albert Abraham |
Американский физик Альберт Абрахам Майкельсон родился в немецком городе Штрельно, близ польской границы (ныне Стшельно, Быдгощское воеводство, Польша), в семье торговца Самуила Михельсона и дочери врача Розалии Михельсон, в девичестве Пжлюбской. Авраам был старшим из трех детей. 1854 г., когда ему было два года, родители эмигрировали в Соединенные Штаты, где отец, ставший в Америке Сэмюэлем Майкельсоном стал поставщиком сухих продуктов во время золотой лихорадки в Калифорнии и Неваде. Альберт был отослан к родственникам в Сан-Франциско, где стал учеником мужской средней школы. Позднее он перешел на пансион к директору школы, который пробудил в нем интерес к естественным наукам и посоветовал поступить в Военно-морскую академию Соединенных Штатов в Аннаполисе, в штате Мэриленд. Заручившись рекомендательным письмом от своего конгрессмена, Майкельсон обратился к президенту Улиссу Симпсону Гранту с просьбой о зачислении в академию, хотя ни одной вакансии не было. Его настойчивость произвела на официальных лиц столь сильное впечатление, что в 1869 г. специально для него было выделено одно место слушателя. Майкельсон окончил академию в 1873 г., два года служил мичманом, а в 1875 г. был назначен преподавателем физики и химии академии. Этот пост он занимал в течение следующих четырех лет.
В 1878 г. Майкельсон заинтересовался измерением скорости света. Свет и оптика стали делом всей его жизни. Хотя к тому времени скорость света была уже измерена французскими физиками Ипполитом Физо, Леоном Фуко и Мари-Альфредом Корню, результаты этих измерений нельзя было считать точными. Используя подаренные ему отчимом 2000 долларов, Майкельсон существенно усовершенствовал метод Фуко и измерил скорость света с недостижимой ранее точностью. Его работа привлекла международное внимание. В 1880 г. Майкельсон покинул Аннаполис и в течение двух лет изучал оптику в Европе. Во время своего пребывания в Европе он спроектировал интерферометр - прибор, в котором измерение различных оптических явлений происходит на основе интерференции световых волн.
Овладев искусством создания физических приборов, Майкельсон изобрел интерферометр для обнаружения движения Земли сквозь покоящийся эфир, который, как полагали в то время, заполняет все космическое пространство. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, теоретически доказавший, что свет представляет собой электромагнитные волны, высказал предположение, согласно которому электромагнитная волна должна распространяться в определенной среде. Электромагнитная теория Максвелла, казалось бы, косвенно подтверждала существование эфира. Максвелл предположил также, что существование эфира можно обнаружить, измерив скорость света относительно движения Земли. Если эфир действительно является светоносной средой и Земля движется относительно него, то скорость света должна быть различной и зависеть от того, движется ли свет к Земле, от нее или под углом к ней. Экспериментально обнаружить движение Земли сквозь эфир не удавалось никому, но предполагалось, что неудача всех попыток обусловлена отсутствием адекватных измерительных устройств. Именно этот пробел и намеревался восполнить Майкельсон своим интерферометром.
В высокоточном интерферометре Майкельсона пучок света с помощью полупосеребренного зеркала расщепляется на два, а затем эти два пучка снова соединяются. Майкельсон полагал, что так как два пучка света проходят различными путями (по направлению движения Земли и перпендикулярно ему), то они должны иметь и различные скорости относительно Земли. Следовательно, волны этих двух пучков при соединении будут обладать различными фазами, что должно дать картину интерференции, подобную той, которая наблюдается при пересечении волн на поверхности пруда. При интерференции возникают чередующиеся светлые и темные полосы, образующие так называемую интерференционную картину. Первую попытку обнаружить движение Земли сквозь эфир с помошью интерферометра Майкельсон предпринял в 1881 г., когда работал у Германа фон Гельмгольца в Берлинском университете. К своему удивлению, он не обнаружил интерференционной картины: оба луча распространялись с одинаковой скоростью. Майкельсон был настолько уверен в точности своих измерений, что в сообщении о своем эксперименте, опубликованном в "Американ джорнал оф сайенс" ("American Journal of Science"; "Американском естественнонаучном журнале"), отважился высказать смелое по тем временам утверждение: "Таким образом, показано, что гипотеза о стационарном эфире неверна". Хотя важность эксперимента Майкельсона была широко признана, некоторые физики указали на возможные источники ошибок в схеме эксперимента, позволявшие усомниться в правильности выводов.
Еще до возвращения в Соединенные Штаты в 1882 г. Майкельсон уволился из Военно-морской академии Соединенных Штатов в Аннаполисе, чтобы стать профессором физики в Школе прикладных наук при Технологическом институте Кейса (ныне Университет Кейса - Западный Резервный) в Кливленде, штат Огайо. Именно там началось его сотрудничество с Эдвардом У. Морли. Их знаменитый эксперимент 1887 г. был повторением берлинского 1881 г., но с усовершенствованным интерферометром, конструкция которого исключала замеченные ранее источники погрешностей. Результат эксперимента и на этот раз оказался отрицательным: интерференционная картина не возникла. Движение Земли не влияло на скорость света.
Хотя эксперимент Майкельсона - Морли породил сомнение в существовании полностью стационарного эфира, ученые не отвергли эту концепцию целиком. Как заметил сам Майкельсон, отрицательный результат эксперимента можно было бы объяснить, если бы эфир увлекался Землей и двигался почти с ее скоростью. Но и такая гипотеза не позволяла полностью избавиться от проблем. Эта задача привлекла к себе внимание такого выдающегося физика, как Хендрик Лоренц. Классические представления о движении опирались на стационарную систему отсчета (в данном случае связанную с эфиром), относительно которой можно было производить измерение абсолютного движения. Неудачи, неизменно постигавшие все попытки доказать существование такой системы, были одной из наиболее трудных проблем, с которыми столкнулась в конце XIX в. классическая физика. Работы Лоренца побудили Альберта Эйнштейна опубликовать в 1905 г. свою специальную теорию относительности. В этой теории отвергалось существование стационарных систем отсчета и абсолютного движения. Тем самым отпадала и необходимость существования эфира. С точки зрения специальной теории относительности Эйнштейна движение может быть полностью описано в терминах движения наблюдателя. Согласно другому постулату, свет распространяется с постоянной скоростью независимо от движения наблюдателя или источника света. Хотя эксперимент Майкельсона - Морли лишь косвенно способствовал становлению специальной теории относительности (в 1905 г. Эйнштейну не было известно о нем), ретроспективно он явился важным ее подтверждением.
Озадаченный результатами своего эсперимента, Майкельсон все же был удовлетворен точностью измерений, достигнутой с помощью интерферометра, и предложил другие варианты его использования. С 1889 по 1893 г. Майкельсон был профессором физики в Университете Кларка в Вустере, штат Массачусетс. Там он использовал интерферометр для определения длины метра в длинах волн одной из спектральных линий кадмия. Такой подход позволил бы лабораториям избавиться от физических эталонов типа металлических стержней, длина которых зависит от обработки и температуры. Этот метрологический проект, завершенный в 1902 г., принес Майкельсону международное признание. В 1893 г. он стал главой вновь созданного физического факультета Чикагского университета.
Работы Майкельсона по созданию метрического стандарта были "побочным продуктом" проведенных им в 1887-1897 гг. исследований света, испускаемого возбужденными атомами (т. е. атомами, поглотившими энергию, например в результате нагревания). Было известно, что если испущенный свет разложить на компоненты с различными длинами волн (различного цвета) с помощью спектрографа, то получающийся линейчатый спектр имеет характерный для каждого химического элемента вид. Физики видели в спектрах атомов ключ к разгадке атомной структуры. Исследуя спектральные линии с помощью своего интерферометра, Майкельсон обнаружил, что все они состоят из нескольких близко расположенных "подлиний". Такую тонкую структуру ученым не удавалось объяснить до появления в 20-х гг. квантовой механики. Ныне интерферометр Майкельсона применяется для анализа света повседневно и остается одним из наиболее мощных средств современного анализа.
12 ноября 1907 г. было объявлено, что "за создание высокоточных оптических приборов и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования" 54-летний Альберт Абрахам Майкельсон удостоен Нобелевской премии по физике. В связи с кончиной короля Оскара II двумя днями ранее, церемония награждения, запланированная на 10 декабря, была отменена. В своей речи, подготовленной к церемонии вручения премии, профессор Клас Бернхард Хассельберг из Королевской шведской Академии Наук отметил, что интерферометр Майкельсона сделал возможными измерения "с необычайно высокой точностью". С Нобелевской лекцией "Современные достижения в спектроскопии" ("Recent Advances in Spectroscopy") лауреат выступил 12 декабря. Сумма Нобелевской премии в том году составила 138796 шведских крон (37201 доллар США).
Стремясь создать все более точные и совершенные приборы, Майкельсон поставил перед собой задачу увеличить разрешающую способность спектрографов, используя более крупные прецизионные дифракционные решетки. Такие решетки разлагают падающий на них пучок света на компоненты с различными длинами волн. Майкельсона интересовали дифракционные решетки, выполненные в виде зеркала, на которое нанесено большое число тонких линий с узкими зазорами между ними. В результате проведенного исследования ему удалось создать самые большие и тонкие дифракционные решетки, превосходившие все, что имелось до него. Первоначально Майкельсон предполагал уделить этой работе лишь несколько лет, но проблема настолько захватила его, что он не переставал заниматься ею до конца жизни.
После перерыва, вызванного необходимостью работы для нужд военно-морских сил Соединенных Штатов Америки во время Первой мировой войны 1914-1918 гг., Майкельсон вернулся к своим исследованиям. На этот раз его интересы обратились к астрономии. Майкельсон преложил несколько способов использования интерферометра для измерения диаметра таких малых объектов, как астероиды, малых лун планет Солнечной системы и больших ярких звезд. В 1920 г. Майкельсону первому удалось измерить диаметр далекой звезды. Он сообщил, что диаметр гигантской звезды Бетельгейзе составляет 240 млн. миль. Проводя эти исследования, выполнявшиеся на телескопе Маунт-Вильсонской обсерватории близ Пасадены, Майкельсон все чаще бывал в Калифорнии. Работал он и в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. Майкельсон произвел первые измерения жесткости Земли, определяя с помощью интерферометра приливные колебания уровня воды в трубах, закопанных в землю. В 1925 г. он стал первым почетным профессором Чикагского университета, но в 1929 г. покинул Чикаго и целиком посвятил себя исследованиям в Калифорнии.
Брак Майкельсона с Маргарет Хеминуэй, заключенный в 1877 г., в котором родились дочь Эльза и двое сыновей - Альберт Хеминуэй и Трумэн, закончился разводом в 1897 г. Два года спустя, 1899 г. Майкельсон вступил в брак с Эдной Стентон. От этого брака у Майкельсона было три дочери - Беатрис, Дороти и Меделин. Майкельсон был известен как художник-акварелист и одаренный скрипач. Учил он музыке и своих детей. Майкельсон хорошо играл в теннис, бильярд, шахматы и бридж, любил парусный спорт.
Известный своей целеустремленностью, он всегда предпочитал научные исследования административной работе и преподавательской деятельности. Он не любил общаться с аспирантами и лишь изредка, от случая к случаю, выступал с лекциями и докладами.
В последний год жизни, перенеся несколько серьезных ударов, Майкельсон продолжал руководить исследованиями буквально лежа в постели. Последним его проектом, до завершения которого ему не суждено было дожить, стала еще одна попытка уточнить измерение скорости света. Майкельсон скончался в возрасте 78 лет от кровоизлияния в мозг 9 мая 1931 г. в Пасадене, в Калифорнии, и похоронен на кладбище Маунтин-Вью в Альтадене.
Помимо Нобелевской премии он был удостоен: в 1888 г. - премии Румфорда, в 1903 г. - золотой медали Пеллегрино Маттеуччи итальянской Национальной Академии Наук, в 1907 г. - медали Копли Лондонского королевского общества, в 1912 г. - Золотой медали Эллиота Крессона Института Бенджамина Франклина, в 1916 г. - медали Генри Дрейпера Национальной Академии Наук США, в 1923 г. - медали имени Бенджамина Франклина Института Бенджамина Франклина и золотой медали Королевского астрономического общества, и в 1929 г. медали Дадделла Лондонского физического общества.
В 1900 г. он был избран в Национальную Академию Наук США, а с 1923 г. по 1927 г. являлся ее президентом. С 1887 г. по 1888 он состоял вице-президентом, а с 1910 г. по 1911 г. - президентом Американского общества содействия развитию науки. С 1900 г. по 1901 г. он был президентом Американского физического общества. С 1902 г. Майкельсон состоял членом Американского философского общества. Он являлся также членом Оптического общества Америки. Майкельсон состоял иностранным членом Лондонского королевского общества, Парижской Академии Наук и Академии Наук СССР, а также Королевского астрономического общества.
Хотя Майкельсон никогда не защищал докторской диссертации, он был удостоен за свои достижения степени почетного доктора одиннадцатью крупнейшими университетами Европы и Америки.
Библиография:
- Michelson, Albert A.: Velocity of Light, Chicago: University of Chicago Press, 1902
- Michelson, Albert A.: Light Waves and Their Uses, Chicago: University of Chicago Press, 1903
- Michelson, Albert A.: Studies in Optics, Chicago: University of Chicago Press, 1927
Переводы на русский язык:
- Майкельсон, А.А.: Исследования по оптике, Москва-Ленинград, 1928 (Москва: Издательство УРСС, 2004)
- Майкельсон, А.А.: Световые волны и их применения, Москва-Ленинград, 1934
Литература:
- Вавилов, Сергей Иванович: Экспериментальные основания теории относительности, Москва-Ленинград: Государственное издательство, 1928
- Джефф, Бернард: Майкельсон и скорость света, Москва: Издательство иностранной литературы, 1963
- Королев, Федор Андреевич: Спектроскопия высокой разрешающей силы, Москва: Гостехиздат, 1953
- Хэль, Дж. Э.: Научные работы А.А. Майкельсона. (1852-1931), 1932
- Jaffe, Bernard: Michelson and the Speed of Light, Westport, Conn.: Greenwood Press, Inc., 1960
- Livingston, Dorothy Michelson: The Master of Light: A Biography of Albert A. Michelson, Chicago: University of Chicago Press, 1973
- McCallister, D. T.: Albert Abraham Michelson, China Lake, Calif.: Technical Information Dept., Naval Weapons Center, 1970
- Swenson, L.S.: The Ethereal Aether, Austin: University of Texas Press, 1972
- Wilson, John Henry: Albert A. Michelson; America's First Nobel Prize Physicist, New York: J. Messner, 1958
- Allais, Maurice: Sur l'interprétation des observations interférométriques de Michelson les données de l'expérience, Paris: Clément Juglar, 2005
Альберт Абрахам Майкельсон. Физика 1907