Альберт Абрахам Майкельсон
Родился 19 декабря 1852 г. в польском городе Стрельно, принадлежащем тогда Германии. Ему не было двух лет, когда его родители эмигрировали в Америку. Там они обосновались на дальнем Западе, в районе Сан-Франциско. Среднюю школу Альберт закончил в Сан-Франциско в 1869 г. Будущее его было малоперспективным, и он решил поступить в Морскую академию. В академии Майкельсон увлекся естественными науками. Он шел первым по физике, вособенности по оптике и акустике. После окончания срока обязательной морской службы Майкельсона назначили преподавателем физики и химии в академии.
Рис. А. Майкельсон
Незадолго до своей смерти Максвелл написал письмо астроному Тодду, в котором указывал на принципиальную возможность экспериментального определения движения Земли относительно эфира. Чувствительность прибора при этом должна быть второго порядка отношения υ/c, где с — скорость света, υ— скорость прибора относительно эфира.
Максимальное значение υ/c = 10-4, и прибор должен обладать чувствительностью порядка 10-8. Такую чувствительность Максвелл считал недостижимой. Письмо было опубликовано в «Nature» в 1880 г. после смерти Максвелла, а в следующем, 1881 г. молодой ученый американец Альберт Майкельсон уже производил опыты с прибором, позволяющим улавливать эту ничтожную разницу. Так в историю физики вошел знаменитый опыт Майкельсона.
Здесь Майкельсон начал свои первые опыты по измерению скорости света методом вращающегося зеркала Фуко, который он усовершенствовал. Его статья «Экспериментальное определение скорости света» была опубликована в 1879 г. Этими измерениями заинтересовался президент американской Ассоциации содействия развитию науки Ньюком. Восхищенный мастерством молодого экспериментатора, Ньюком обратился в Национальную академию с просьбой выделить средства для продолжения опытов. Средства были получены, и Майкельсон с Ньюкомом приступили к экспериментам. Однако Майкельсон, понимая необходимость усовершенствования своих физических знаний, решил поехать в Европу и в 1880 г. выехал с семьей в Берлин, потом в Париж, где встретился с крупнейшими физиками Европы: слушал лекции Гельмгольца, работал в Гейдельберге, коллеже де Франс, Высшей политехнической школе в Париже. Перед заграничной поездкой он оставил Морскую академию и перешел на должность профессора физики в только что учрежденную высшую школу Кейса. Школа предоставила Майкел ьсону отпуск на два года, 1881 — 1882 гг.
Во время этого отпуска Майкельсон построил в Берлине первую модель своего знаменитого интерферометра и произвел его испытание в лаборатории Гельмгольца. Вибрации, вызываемые большим движением шумного города, мешали нормальной работе чувствительного прибора, Майкельсон разобрал его и установил в Потсдаме на прочном кирпичном фундаменте большого телескопа. Результаты своего опыта он опубликовал в 1881 г. в статье «Относительное движение Земли и светоносного эфира». Никакого относительного движения обнаружить не удалось.
Рис. Схема опыта Майкельсона — Морли
Вернувшись в Америку, Майкельсон приступил к исполнению обязанностей профессора школы прикладной науки Кейса в Кливленде. Здесь он в сотрудничестве с профессором химии соседнего университета Эдвардом Морл и (1838—1923) начал готовить повторение своего эксперимента. Предварительно они повторили опыт Физо с измерением скорости света в движущейся воде и результаты опубликовали в 1886 г. в статье «Влияние движения среды на скорость света». Опыт с большой точностью подтвердил результат Физо 1851 г. В этой же работе они определили коэффициент увлечения Френеля.
Затем они повторили опыт по изучению влияния движения Земли на распространение света. Интерферометр был смонтирован на каменной плите толщиной 30 см. Плита плавала в ртути на кольцеобразной деревянной подставке. На ней было установлено четыре зеркала, так что общий оптический путь интерферирующих пучков в результате многократного отражения увеличивался до 11 м (почти в 10 раз больше, чем в первом опыте). Опыты были закончены в июле 1887 г. Результат оказался также отрицательным, ожидаемого смещения почти не наблюдалось. Статья Майкельсона и Морли «Об относительном движении Земли и светоносного эфира» была опубликована в 1887 г.
В этом же году Герц начал свои знаменитые опыты, а Майкельсон и Морли опубликовали еще одну работу «О методе использования длины волны света натрия в качестве естественного и практического эталона длины. Она предшествовала классическим опытом Майкельсона по сравнению эталона метра с длиной волны красной линии кадмия, которые Майкельсон проводил в Париже в 1892 г. К этому времени Майкельсон был уже профессором университета Кларка. После этих экспериментов он перешел в Чикагский университет, где в 1894 г. была открыта Райерсоновская физическая лаборатория. Здесь Майкельсон остался до конца своих дней, продолжая работы по изготовлению спектроскопических приборов большой разрешающей способности (эшелон Майкельсона), измерению диаметра звезд и опыты по новому определению скорости света (1924—1927 гг.).
Майкельсон умер 9 мая 1931 г. За несколько месяцев до смерти, в январе 1931 г., он встретился на конференции в Пасадене с Эйнштейном.
Опыт Майкельсона был подробно описан и проанализирован Г. А. Лоренцом в статье «О влиянии движения Земли на световые явления», опубликованной в «Известиях Амстердамской Королевской академии наук» в 1886 г., за год до опыта Майкельсона и Морли. Французский текст этой статьи был опубликован в 1887 г. Этой статьей Лоренц начал цикл своих работ, посвященных электродинамике и оптике движущихся сред. Ее содержание было повторено в лекциях по теоретической физике («Теория и модели эфира»), вышедших на немецком языке в 1907 г., на английском в 1927 г., на русском в 1936 г. В этой статье Лоренц указал на ошибку в расчете Майкельсона: Майкельсон считал, что свет в направлении перпендикулярном движению Земли, распространяется так же, как если бы Земля и аппарат были неподвижны. Исправив эту ошибку, Лоренц показал, что ожидаемое смещение полос должно быть значительно меньше, чем предполагал Майкельсон, и будет составлять только 1/20 часть ширины полосы, что ниже предела достоверной наблюдаемости. Но в 1887 г. Майкельсон и Морли сделали прибор значительно чувствительнее, и, как было уже сказано, результат был вновь отрицательным.
Это противоречило всем сложившимся к тому времени теориям, за исключением теории, созданной в 1890 г. Герцем.
В 1890 г. Герц опубликовал две статьи: «Об основных уравнениях электродинамики в покоящихся телах» и «Об основных уравнениях электродинамики для движущихся тел». Эти статьи содержали исследования о распространении «лучей электрической силы» и в сущности давали то каноническое изложение максвелловской теории электрического поля, которое вошло с тех пор в учебную литературу.
В первой из этих статей Герц указывает, что теория Максвелла при своем зарождении была загромождена «лесами» (имеется в виду образ строительных лесов), которые необходмо было убрать. К числу таких лесов он относил и «господство вектор-потенциала в основных уравнениях». Его основные уравнения связывают непосредственно компоненты напряженностей электрических и магнитных полей, и именно эти уравнения мы называем теперь «уравнениями Максвелла». Герц считает их фундаментальными законами, не выводимыми из каких-либо других фундаментальных принципов или с помощью воображаемых механизмов.
Во второй статье Герц для получения уравнений электродинамики движущихся тел делает основное предположение, что эфир, находящийся внутри движущейся материи, движется одновременно с ней. Эта гипотеза полного увлечения эфира самым естественным образом объясняет отрицательный результат опыта Майкельсона. Однако она противоречит другим фактам: аберрации, опыту Физо, опытам Рентгена и Эйхенвальда в электродинамике. Лоренц рассматривает оптические опыты в указанной выше статье, а также в большой программной работе 1895 г. «Опыт теории оптических и электрических явлений в движущихся телах». Этими работами Лоренц закладывает основы электронной теории.
Статья на тему Альберт Абрахам Майкельсон