Альберт Майкельсон

Биография

В 1878 г. М. заинтересовался измерением скорости света. Свет и оптика стали делом всей его жизни.

Американский физик Альберт Абрахам Майкельсон родился в Стрельно (Германия), близ польской границы, в семье торговца Сэмуэля Майкельсона и дочери врача Розали (Пжлюбска) Майкельсон. М. был старшим из трех детей. Когда М. было два года, родители эмигрировали в Соединенные Штаты, где отец стал поставщиком сухих продуктов во время золотой лихорадки в Калифорнии и Неваде. М. 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 (штат Мэриленд). Заручившись рекомендательным письмом от своего конгрессмена, М. обратился к президенту Улиссу С. 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. М. 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. М. 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, М. существенно усовершенствовал метод Фуко и измерил скорость света с недостижимой ранее точностью. Его работа привлекла международное внимание. В 1880 г. М. 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, М. 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 М. своим интерферометром.

В высокоточном интерферометре М. пучок света с помощью полупосеребренного зеркала расщепляется на два, а затем эти два пучка снова соединяются, М. 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 помощью интерферометра М. предпринял в 1881 г., когда работал у Германа фон Гельмгольца в Берлине. К своему удивлению, он не обнаружил интерференционной картины: оба луча распространялись с одинаковой скоростью. М. был настолько уверен в точности своих измерений, что в сообщении о своем эксперименте, опубликованном в «Американском естественнонаучном журнале» ("American Journal of Science"), отважился высказать смелое по тем временам утверждение: «Таким образом, показано, что гипотеза о стационарном эфире неверна». Хотя важность эксперимента М. была широко признана, некоторые физики указали на возможные источники ошибок в схеме эксперимента, позволявшие усомниться в правильности выводов.

Еще до возвращения в Соединенные Штаты (1882) М. уволился из Военно-морской академии, чтобы стать профессором физики в Кейзовском технологическом институте (ныне Университет Кейз-Вестерн-Резерв) 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 М., 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 эксперимента, М. все же был удовлетворен точностью измерений, достигнутой с помощью интерферометра, и предложил другие варианты его использования. С 1889 по 1893 г. М. был профессором физики в Университете Кларка в Уоркестре (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 М. международное признание. В 1893 г. он стал главой вновь созданного физического факультета Чикагского университета.

Работы М. 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, М. 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 М. применяется для анализа света повседневно и остается одним из наиболее мощных средств современного анализа.

М. был удостоен Нобелевской премии по физике 1907 г. «за создание высокоточных оптических приборов и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования». Выступая на церемонии вручения премии, К.Б. Хассельберг из Шведской королевской академии наук отметил, что интерферометр Майкельсона сделал возможными измерения «с необычайно высокой точностью».

Стремясь создать все более точные и совершенные приборы, М. 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. М. 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 М. 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, М. вернулся к своим исследованиям. На этот раз его интересы обратились к астрономии. М. 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. М. первому удалось измерить диаметр далекой звезды. Он сообщил, что диаметр гигантской звезды Бетельгейзе составляет 240 млн. миль. Проводя эти исследования, выполнявшиеся на телескопе обсерватории Маунт-Вилсон близ Пасадены, М. все чаще бывал в Калифорнии. Работал он и в Калифорнийском технологическом институте. М. произвел первые 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 М. с Маргарет Хеминуэй (1877), от которого родились дочь и двое сыновей, закончился разводом в 1897 г. Два года спустя М. вступил в брак с Эдной Стэнтон. От этого брака у М. было три дочери. М. был известен художник-акварелист и одаренный скрипач. Учил он музыке и своих детей. М. хорошо играл в теннис, бильярд, шахматы и бридж, любил парусный спорт.

Известный своей целеустремленностью, М. 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, несколько серьезных ударов, М. продолжал руководить исследованиями буквально лежа в постели. Последним его проектом, до завершения которого ему не суждено было дожить, стала одна попытка уточнить измерение скорости света. М. скончался от кровоизлияния в мозг 9 мая 1931 г. в Пасадене (штат Калифорния).

Хотя М. никогда не защищал докторской диссертации, он был удостоен за свои достижения степени почетного доктора одиннадцатью крупнейшими университетами Европы и Америки. Помимо Нобелевской премии среди его многочисленных наград были медаль Копли Лондонского королевского общества (1907), медаль Генри Дрейпера Национальной академии наук США (1916), медаль Франклина Франклиновского института (1923), золотая меАмериканский физик Альберт Абрахам Майкельсон родился в Стрельно (Германия), близ польской границы, в семье торговца Сэмуэля Майкельсона и дочери врача Розали (Пжлюбска) Майкельсон. М. был старшим из трех детей. Когда М. было два года, родители эмигрировали в Соединенные Штаты, где отец стал поставщиком сухих продуктов во время золотой лихорадки в Калифорнии и Неваде. М. 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 (штат Мэриленд). Заручившись рекомендательным письмом от своего конгрессмена, М. обратился к президенту Улиссу С. 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. М. 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. М. 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, М. существенно усовершенствовал метод Фуко и измерил скорость света с недостижимой ранее точностью. Его работа привлекла международное внимание. В 1880 г. М. 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, М. 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 М. своим интерферометром.

В высокоточном интерферометре М. пучок света с помощью полупосеребренного зеркала расщепляется на два, а затем эти два пучка снова соединяются, М. 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 помощью интерферометра М. предпринял в 1881 г., когда работал у Германа фон Гельмгольца в Берлине. К своему удивлению, он не обнаружил интерференционной картины: оба луча распространялись с одинаковой скоростью. М. был настолько уверен в точности своих измерений, что в сообщении о своем эксперименте, опубликованном в «Американском естественнонаучном журнале» ("American Journal of Science"), отважился высказать смелое по тем временам утверждение: «Таким образом, показано, что гипотеза о стационарном эфире неверна». Хотя важность эксперимента М. была широко признана, некоторые физики указали на возможные источники ошибок в схеме эксперимента, позволявшие усомниться в правильности выводов.

Еще до возвращения в Соединенные Штаты (1882) М. уволился из Военно-морской академии, чтобы стать профессором физики в Кейзовском технологическом институте (ныне Университет Кейз-Вестерн-Резерв) 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 М., 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 эксперимента, М. все же был удовлетворен точностью измерений, достигнутой с помощью интерферометра, и предложил другие варианты его использования. С 1889 по 1893 г. М. был профессором физики в Университете Кларка в Уоркестре (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 М. международное признание. В 1893 г. он стал главой вновь созданного физического факультета Чикагского университета.

Работы М. 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, М. 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 М. применяется для анализа света повседневно и остается одним из наиболее мощных средств современного анализа.

М. был удостоен Нобелевской премии по физике 1907 г. «за создание высокоточных оптических приборов и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования». Выступая на церемонии вручения премии, К.Б. Хассельберг из Шведской королевской академии наук отметил, что интерферометр Майкельсона сделал возможными измерения «с необычайно высокой точностью».

Стремясь создать все более точные и совершенные приборы, М. 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. М. 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 М. 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, М. вернулся к своим исследованиям. На этот раз его интересы обратились к астрономии. М. 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. М. первому удалось измерить диаметр далекой звезды. Он сообщил, что диаметр гигантской звезды Бетельгейзе составляет 240 млн. миль. Проводя эти исследования, выполнявшиеся на телескопе обсерватории Маунт-Вилсон близ Пасадены, М. все чаще бывал в Калифорнии. Работал он и в Калифорнийском технологическом институте. М. произвел первые 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 М. с Маргарет Хеминуэй (1877), от которого родились дочь и двое сыновей, закончился разводом в 1897 г. Два года спустя М. вступил в брак с Эдной Стэнтон. От этого брака у М. было три дочери. М. был известен художник-акварелист и одаренный скрипач. Учил он музыке и своих детей. М. хорошо играл в теннис, бильярд, шахматы и бридж, любил парусный спорт.

Известный своей целеустремленностью, М. 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, несколько серьезных ударов, М. продолжал руководить исследованиями буквально лежа в постели. Последним его проектом, до завершения которого ему не суждено было дожить, стала одна попытка уточнить измерение скорости света. М. скончался от кровоизлияния в мозг 9 мая 1931 г. в Пасадене (штат Калифорния).

Хотя М. никогда не защищал докторской диссертации, он был удостоен за свои достижения степени почетного доктора одиннадцатью крупнейшими университетами Европы и Америки. Помимо Нобелевской премии среди его многочисленных наград были медаль Копли Лондонского королевского общества (1907), медаль Генри Дрейпера Национальной академии наук США (1916), медаль Франклина Франклиновского института (1923), золотая медаль Лондонского королевского астрономического общества (1923) и медаль Дадделла Лондонского физического общества. М. состоял членом многих научных обществ и академий, в том числе Национальной академии США, Лондонского королевского общества, Французской наук и Академии наук СССР. Он был президентом Американского физического общества (1901...4903) и Национальной академии наук США (1916), медаль Франклина Франклиновского института (1923), золотая медаль Лондонского королевского астрономического общества (1923) и медаль Дадделла Лондонского физического общества. М. состоял членом многих научных обществ и академий, в том числе Национальной академии США, Лондонского королевского общества, Французской наук и Академии наук СССР. Он был президентом Американского физического общества (1901...4903) и Национальной академии наук США (1916).