Albert A. Michelson - Albert A. Michelson

Albert A. Michelson
Albert Abraham Michelson2.jpg
Geboren ( 1852-12-19 )19. Dezember 1852
Ist gestorben 9. Mai 1931 (1931-05-09)(78 Jahre)
Staatsangehörigkeit amerikanisch
Alma Mater Marineakademie der Vereinigten Staaten
Universität Berlin
Bekannt für Lichtgeschwindigkeit
Hyperfeinstruktur
Feinstruktur
Michelson-Morley - Experiment
Michelson-Gale-Pearson Experiment
Michelson - Interferometer
Michelson - Interferometer stellar
Ehepartner
Margaret Hemingway
( m.  1877; div.  1898)
; 3 Kinder
Edna Stanton
( m.  1899)
; 3 Kinder
Auszeichnungen Matteucci-Medaille (1903)
Nobelpreis für Physik (1907)
Copley-Medaille (1907)
Elliott-Cresson-Medaille (1912)
Henry-Draper-Medaille (1916)
Albert-Medaille (1920)
Franklin-Medaille (1923)
Duddell-Medaille und -Preis (1929)
Wissenschaftlicher Werdegang
Felder Physik
Institutionen Fall Western Reserve University
Clark University
University of Chicago
Doktoratsberater Hermann Helmholtz
Andere Studienberater Georg Hermann Quincke
Alfred Cornu
Doktoranden
Unterschrift
Albert A Michelson Signature.svg

Albert Abraham Michelson FFRS H FRSE (19. Dezember 1852 - 9. Mai 1931) war ein US-amerikanischer Physiker, der für seine Arbeiten zur Messung der Lichtgeschwindigkeit und insbesondere für das Michelson-Morley-Experiment bekannt ist . 1907 erhielt er den Nobelpreis für Physik und war damit der erste Amerikaner, der den Nobelpreis in einer Wissenschaft erhielt. Er war Gründer und erster Leiter der Physikabteilung der University of Chicago .

Leben

Michelson wurde in Strzelno , Posen , Königreich Preußen (heute Polen) als Sohn jüdischer Eltern als Sohn von Samuel Michelson und seiner Frau Rozalia Przyłubska geboren. Im Alter von zwei Jahren zog er 1855 mit seinen Eltern in die USA. Er wuchs in den Bergbaustädten Murphy's Camp in Kalifornien und Virginia City in Nevada auf , wo sein Vater Kaufmann war. Seine Familie war nicht religiös, und Michelson selbst war ein lebenslanger Agnostiker . Er verbrachte seine Highschool-Jahre in San Francisco im Haus seiner Tante Henriette Levy (geb. Michelson), die die Mutter der Autorin Harriet Lane Levy war .

Präsident Ulysses S. Grant verlieh Michelson 1869 eine besondere Berufung an die US Naval Academy . Während seiner vier Jahre als Midshipman an der Academy zeichnete sich Michelson in Optik , Wärme, Klimatologie und technischem Zeichnen aus . Nach seinem Abschluss im Jahr 1873 und zwei Jahren auf See kehrte er 1875 an die Naval Academy zurück, um bis 1879 Lehrer in Physik und Chemie zu werden . 1879 wurde er zum Nautical Almanac Office, Washington (Teil des United States Naval Observatory ), um mit Simon Newcomb zu arbeiten . Im folgenden Jahr wurde er beurlaubt, um sein Studium in Europa fortzusetzen. Er besuchte die Universitäten Berlin und Heidelberg sowie das Collège de France und die cole Polytechnique in Paris.

Michelson war fasziniert von den Naturwissenschaften und insbesondere dem Problem der Messung der Lichtgeschwindigkeit . In Annapolis führte er 1877 seine ersten Experimente zur Lichtgeschwindigkeit im Rahmen einer Klassendemonstration durch. Sein Annapolis-Experiment wurde verfeinert und 1879 maß er die Lichtgeschwindigkeit in der Luft mit 299.864 ± 51 Kilometer pro Sekunde und schätzte die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum auf 299.940 km/s oder 186.380 mi/s. Nach zweijährigem Studium in Europa schied er 1881 aus der Navy aus. 1883 nahm er eine Stelle als Professor für Physik an der Case School of Applied Science in Cleveland , Ohio an und konzentrierte sich auf die Entwicklung eines verbesserten Interferometers . Im Jahr 1887 führten er und Edward Morley das berühmte Michelson-Morley-Experiment durch, bei dem es keine Beweise für die Existenz des Leuchtäthers gab . Später setzte er astronomische Interferometer zur Messung von Sterndurchmessern und zur Messung der Abstände von Doppelsternen ein.

1889 wurde Michelson Professor an der Clark University in Worcester , Massachusetts, und 1892 zum Professor und zum ersten Leiter der Physikabteilung der neu organisierten University of Chicago ernannt . 1902 wurde er zum Mitglied der American Philosophical Society gewählt .

1907 hatte Michelson die Ehre, als erster Amerikaner den Nobelpreis für Physik "für seine optischen Präzisionsinstrumente und die mit ihnen durchgeführten spektroskopischen und metrologischen Untersuchungen" zu erhalten. Außerdem gewann er 1907 die Copley-Medaille , 1916 die Henry-Draper-Medaille und 1923 die Goldmedaille der Royal Astronomical Society . Ein Krater auf dem Mond ist nach ihm benannt.

Michelson starb im Alter von 78 Jahren in Pasadena, Kalifornien . Die Studentenwohnheime der University of Chicago erinnerten sich an Michelson und seine Leistungen, indem sie ihm zu Ehren das „Michelson House“ weihten. Case Western Reserve hat ihm ein Michelson House gewidmet, und Michelson Hall (ein akademisches Gebäude mit naturwissenschaftlichen Klassenzimmern, Labors und Büros) an der United States Naval Academy trägt ebenfalls seinen Namen. Das Michelson Laboratory an der Naval Air Weapons Station China Lake in Ridgecrest, Kalifornien, ist nach ihm benannt. Im öffentlich zugänglichen Bereich des Labors befindet sich eine Ausstellung mit Faksimiles von Michelsons Nobelpreismedaille, der Preisurkunde und Beispielen seiner Beugungsgitter. 2017 wurde auch ein neu renoviertes Physik-Forschungszentrum an der University of Chicago zu Ehren von Michelson umbenannt.

Im Namen von Albert A. Michelson wurden zahlreiche Auszeichnungen, Vorträge und Ehrungen ins Leben gerufen. Einige der aktuellen Auszeichnungen und Vorträge, die für Michelson benannt wurden, sind: der Bomem-Michelson Award and Lecture, der bis 2017 jährlich von der Coblentz Society verliehen wird; der Michelson-Morley Award and Lecture, zusammen mit der Michelson Lecture Series und der Michelson Postdoctoral Prize Lectureship, die alle jährlich von der Case Western Reserve University vergeben werden ; der AA Michelson Award, der jedes Jahr von der Computer Measurement Group verliehen wird ; der Albert A. Michelson Award der Navy League der Vereinigten Staaten ; und die Michelson Memorial Lecture Series, die jährlich von der Abteilung für Mathematik und Naturwissenschaften der US Naval Academy präsentiert wird .

Familie

1877 heiratete Michelson Margaret Hemingway, Tochter eines wohlhabenden New Yorker Börsenmaklers und Anwalts und Nichte seines Kommandanten William T. Sampson . Sie hatten zwei Söhne und eine Tochter.

1899 heiratete er Edna Stanton. Sie haben drei Töchter großgezogen.

Lichtgeschwindigkeit

Seite eins von Michelsons experimenteller Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit
Schlussseite von Michelsons Experimental Determination of the Velocity of Light

Frühe Messungen

Michelson war zeitlebens vom Licht fasziniert. Einmal gefragt, warum er Licht studiert, sagte er: "Weil es so viel Spaß macht."

Bereits 1869, als Offizier der United States Navy , begann Michelson mit der Planung einer Wiederholung der Rotationsspiegelmethode von Léon Foucault zur Messung der Lichtgeschwindigkeit mit verbesserter Optik und einer längeren Basislinie. Er führte 1878 einige vorläufige Messungen mit weitgehend improvisierten Geräten durch, ungefähr zur gleichen Zeit, als Simon Newcomb , Direktor des Nautischen Almanach-Büros , auf seine Arbeit aufmerksam wurde und bereits in der Planung seiner eigenen Studie weit fortgeschritten war.

Michelsons formale Experimente fanden im Juni und Juli 1879 statt. Er baute ein Fachwerkgebäude entlang der Nordseemauer der Marineakademie, um die Maschinen unterzubringen. Michelson veröffentlichte 1879 sein Ergebnis von 299.910 ± 50 km/s, bevor er sich Newcomb in Washington DC anschloss, um dort bei seinen Messungen zu helfen. So begann eine lange berufliche Zusammenarbeit und Freundschaft zwischen den beiden.

Simon Newcomb erreichte mit seinem angemessener finanzierten Projekt einen Wert von 299.860 ± 30 km/s, gerade am äußersten Rand der Übereinstimmung mit Michelsons. Michelson "verfeinerte" seine Methode weiter und veröffentlichte 1883 eine Messung von 299.853 ± 60 km/s, die eher der seines Mentors entspricht.

Oberstleutnant Albert A. Michelson während seines Dienstes in der US Navy . Er kehrte im Ersten Weltkrieg zur US Navy zurück, als dieses Porträt aufgenommen wurde.

Mount Wilson und Aussichtsberg

1906 wurde von EB Rosa und dem National Bureau of Standards eine neuartige elektrische Methode verwendet , um einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit von 299.781 ± 10 km/s zu erhalten. Auch wenn sich später gezeigt hat, dass dieses Ergebnis durch die damaligen schlechten elektrischen Standards stark verzerrt wurde, scheint es doch Mode für eher niedrigere Messwerte geworden zu sein.

Ab 1920 begann Michelson mit der Planung einer endgültigen Messung vom Mount Wilson Observatory , wobei eine Basislinie zum Lookout Mountain verwendet wurde , einer markanten Erhebung auf dem Südgrat des Mount San Antonio ("Old Baldy"), etwa 35 km entfernt.

Im Jahr 1922 begann der US Coast and Geodetic Survey mit der zweijährigen sorgfältigen Messung der Basislinie mit den kürzlich verfügbaren Invar- Bändern. Mit der 1924 festgelegten Basislinienlänge wurden in den nächsten zwei Jahren Messungen durchgeführt, um den veröffentlichten Wert von 299.796 ± 4 km/s zu erhalten.

So berühmt die Messung auch ist, so war sie doch mit Problemen behaftet, nicht zuletzt der Nebelschwaden von Waldbränden, der das Spiegelbild verwischte. Es ist auch wahrscheinlich, dass die intensiv detaillierte Arbeit der geodätischen Vermessung mit einem geschätzten Fehler von weniger als einem Teil von 1 Million durch eine Verschiebung der Basislinie aufgrund des Erdbebens von Santa Barbara vom 29 geschätzte Helligkeit von 6,3 auf der Richterskala .

Das inzwischen berühmte Michelson-Morley-Experiment beeinflusste auch die Bestätigungsversuche von Albert Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie und Speziellen Relativitätstheorie unter Verwendung ähnlicher optischer Instrumente. An diesen Instrumenten und verwandten Kooperationen nahmen die Physikerkollegen Dayton Miller , Hendrik Lorentz und Robert Shankland teil .

Michelson, Pease und Pearson

Die Zeit nach 1927 markierte das Aufkommen neuer Messungen der Lichtgeschwindigkeit mit neuartigen elektrooptischen Geräten, die alle wesentlich niedriger waren als Michelsons Wert von 1926.

Michelson suchte eine weitere Messung, diesmal jedoch in einer evakuierten Röhre, um Schwierigkeiten bei der Interpretation des Bildes aufgrund von atmosphärischen Effekten zu vermeiden. Im Jahr 1929 begann er eine Zusammenarbeit mit Francis G. Pease und Fred Pearson, um eine Messung in einer 1,6 km langen Röhre mit einem Durchmesser von 3 Fuß auf der Irvine Ranch in der Nähe von Santa Ana, Kalifornien, durchzuführen. Bei Mehrfachreflexionen wurde der Lichtweg auf 5 Meilen erhöht. Zum ersten Mal in der Geschichte wurde die Lichtgeschwindigkeit in einem nahezu perfekten Vakuum von 0,5 mm Quecksilbersäule gemessen. Michelson starb mit nur 36 der 233 abgeschlossenen Messreihen und das Experiment wurde in der Folge von geologischen Instabilitäts- und Kondensationsproblemen heimgesucht, bevor 1935 posthum das Ergebnis von 299.774 ± 11 km/s, das mit den vorherrschenden elektrooptischen Werten übereinstimmte, veröffentlicht wurde.

Anwendung grundlegender statistischer Prinzipien in Michelsons Studie zur Lichtgeschwindigkeit

Im Juni und Anfang Juli 1879 verfeinerte Michelson experimentelle Anordnungen aus denen von Hippolyte Fizeau und Léon Foucault . Der Versuchsaufbau war wie folgt: Von einer Quelle erzeugtes Licht wird durch einen Schlitz auf einer festen Platte auf einen rotierenden Spiegel gerichtet; der rotierende Spiegel reflektiert das einfallende Licht und in einem bestimmten Winkel in die Richtung, in der ein weiterer fester flacher Spiegel platziert ist, dessen Oberfläche senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl ist; der Drehspiegel sollte sich um einen Winkel α gedreht haben, bis der Lichtstrahl zurückläuft und wieder zur festen Platte reflektiert wird (der Abstand zwischen dem festen Spiegel und dem drehbaren Spiegel wird als D aufgezeichnet); auf der Platte wird eine Verschiebung vom Schlitz erfasst, die d misst; der Abstand vom rotierenden Spiegel zur feststehenden Platte wird als Radius r bezeichnet, während die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde des Spiegels als aufgezeichnet wird. Auf diese Weise ist tan(2α) = d/r; t = (α/2π)/ω; Lichtgeschwindigkeit kann als c = 2D/Δt abgeleitet werden.

Bei klarer Sicht handelt es sich um vier Messgrößen: Abstand D, Radius r, Verschiebung d und Drehspiegelumdrehung pro Sekunde ω, was einfach erscheint; Aufgrund der damaligen Grenzen der Messtechnik wurden jedoch von Michelson große Anstrengungen unternommen, um systematische Fehler zu reduzieren und nachträgliche Korrekturen vorzunehmen. Zum Beispiel nahm er ein Stahlmaßband mit einer Länge von 30 Metern an und beabsichtigte, die Entfernung Dutzende Male zu messen; dennoch maß er seine Länge mit einer Kopie des offiziellen Standard-Yards, um sie mit 100,06 Fuß zu ermitteln, wodurch ein systematischer Fehler beseitigt wurde, wenn auch nur ein kleiner.

Abgesehen von den Bemühungen, die systematischen Fehler so weit wie möglich zu reduzieren, wurden wiederholte Messungen auf mehreren Ebenen durchgeführt, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Wie RJMacKay und RWoldford in ihrem Artikel bemerkten: „Es ist klar, dass Michelson die Kraft der Mittelwertbildung zur Verringerung der Messvariabilität schätzte“, ist es klar, dass Michelson die Eigenschaft im Sinn hatte, dass die Mittelwerte weniger variieren, was formal beschrieben werden sollte als: der Standard Die Abweichung des Durchschnitts von n unabhängigen Zufallsvariablen ist um den Faktor der Quadratwurzel von n geringer als die einer einzelnen Zufallsvariablen. Um dies zu erkennen, strebte er auch an, dass sich jede Messung nicht gegenseitig beeinflusst, also voneinander unabhängige Zufallsvariablen sind .

Ein statistisches Modell für wiederholte Messungen unter der Annahme von Unabhängigkeit oder identischen Verteilungen ist unrealistisch. Bei der Lichtgeschwindigkeitsstudie wird jede Messung als Summe aus interessierender Größe und Messfehler betrachtet. Wenn kein systematischer Fehler vorliegt, kann der Messfehler der Lichtgeschwindigkeit durch eine Zufallsstichprobe aus einer Verteilung mit unbekanntem Erwartungswert und endlicher Varianz modelliert werden; Somit wird die Lichtgeschwindigkeit durch die Erwartung der Modellverteilung repräsentiert und das ultimative Ziel besteht darin, die Erwartung der Modellverteilung auf dem erfassten Datensatz abzuschätzen. Das Gesetz der großen Zahlen schlägt vor, den Erwartungswert durch den Stichprobenmittelwert zu schätzen.

Michelson-Morley-Interferometrie-Experiment

1887 arbeitete er mit seinem Kollegen Edward Williams Morley von der Western Reserve University, heute Teil der Case Western Reserve University , am Michelson-Morley-Experiment zusammen . Ihr Experiment zur erwarteten Bewegung der Erde relativ zum Äther , dem hypothetischen Medium, in dem sich Licht bewegen sollte, führte zu einem Nullergebnis . Überrascht wiederholte Michelson das Experiment in den nächsten Jahren mit immer größerer Präzision, fand aber weiterhin keine Möglichkeit, den Äther zu messen. Die Michelson-Morley-Ergebnisse hatten einen enormen Einfluss auf die Physik-Community, was Hendrik Lorentz dazu veranlasste, seine heute berühmten Lorentz-Kontraktionsgleichungen als Mittel zur Erklärung des Nullergebnisses zu entwickeln.

Es gab einige historische Kontroversen darüber, ob Albert Einstein die Michelson-Morley-Ergebnisse kannte, als er seine spezielle Relativitätstheorie entwickelte , die den Äther als "überflüssig" bezeichnete. In einem späteren Interview sagte Einstein über das Michelson-Morley-Experiment: „Mir war nicht bewusst, dass es mich direkt beeinflusst hat … Ich glaube, ich habe es als selbstverständlich angesehen, dass es wahr ist.“ Unabhängig von Einsteins spezifischem Wissen gilt das Experiment heute als das kanonische Experiment in Bezug auf das Fehlen eines nachweisbaren Äthers.

Die Präzision ihrer Ausrüstung ermöglichte es Michelson und Morley, als erste genaue Werte für die Feinstruktur in den atomaren Spektrallinien zu erhalten, für die Arnold Sommerfeld 1916 eine theoretische Erklärung lieferte und die Feinstrukturkonstante einführte .

Astronomische Interferometrie

Optisch

Die horizontale Struktur an der Spitze des Hooker-Teleskops implementiert Michelsons stellares Interferometer (1920). Spiegel auf dieser Bühne (im Bild nicht sichtbar) lenken das Sternenlicht aus zwei kleineren Öffnungen bis zu 6 m voneinander entfernt in das Teleskop.

1920 führten Michelson und Francis G. Pease die erste Messung des Durchmessers eines anderen Sterns als der Sonne durch. Michelson hatte die astronomische Interferometrie erfunden und am Mount Wilson Observatorium ein solches Instrument gebaut, mit dem der Durchmesser des Roten Riesen Beteigeuze gemessen wurde . Eine Periskopanordnung wurde verwendet, um Licht von zwei Subpupillen, die bis zu 6 m voneinander entfernt waren, in die Hauptpupille des 100 Zoll (2,5 m) Hooker-Teleskops zu lenken , wodurch durch das Okular beobachtete Interferenzstreifen erzeugt wurden. Die Messung von Sterndurchmessern und der Abstände von Doppelsternen nahm danach einen immer größeren Teil von Michelsons Leben ein.

Ab den 1970er Jahren wurde die astronomische Interferometrie wiederbelebt, wobei die Konfigurationen mit zwei (oder mehr) separaten Öffnungen (mit kleinen Durchmessern im Vergleich zu ihrem Abstand) oft als "Michelson Stellar Interferometry" bezeichnet werden. Das war es von zu unterscheiden Speckle - Interferometrie , sollte aber nicht mit dem verwechselt wird Michelson - Interferometer , das ein gemeinsames ist Labor Interferometerkonfiguration von denen das Interferometer verwendet , in dem Michelson-Morley - Experiment war ein Beispiel. Michelsons Konzept der Interferenz von Licht aus zwei relativ kleinen Öffnungen, die durch eine beträchtliche Entfernung getrennt sind (aber mit dieser Entfernung oder Basislinie , die jetzt oft Hunderte von Metern lang ist) wird in modernen Betriebsobservatorien wie VLTI , CHARA und dem NPOI der US Navy eingesetzt .

Gravitationswelle

Gravitationswellen werden unter Verwendung eines Michelson-Interferometers mit einer Laserlichtquelle detektiert. Im Jahr 2020 waren drei Michelson-Interferometer-Gravitationswellendetektoren in Betrieb und ein vierter im Bau. Diese Michelson-Interferometer haben Arme von 4 Kilometern Länge, die in einem 90-Grad-Winkel zueinander angeordnet sind, wobei das Licht durch Vakuumröhren mit einem Durchmesser von 1 m über ihre gesamte Länge läuft. Eine vorbeiziehende Gravitationswelle streckt einen Arm leicht, während sie den anderen verkürzt. Genau auf diese Bewegung reagieren diese Michelson-Interferometer am empfindlichsten. Bis 2020 wurden mit diesen Michelson-Interferometern fünfzehn Gravitationswellenereignisse beobachtet.

Michelson in der Populärkultur

"Albert Abraham Michelson wurde am 19. Dezember 1852 in dieser Stadt geboren. Er war Professor an der University of Chicago, ein Nobelpreisträger, der mit seinen berühmten Experimenten zur Lichtgeschwindigkeit eine neue Ära in der Entwicklung der Physik einleitete. Diese Gedenktafel war ein Ort, um die Gründung der großen Physik zu feiern." Eine Gedenktafel in Strzelno , Polen, installiert von der Polnischen Physikalischen Gesellschaft .

In Staffel 3 Folge 26 der Fernsehserie Bonanza ("Look to the Stars", ausgestrahlt am 18. März 1962 ) hilft Ben Cartwright ( Lorne Greene ) dem 16-jährigen Michelson (dargestellt vom 25-jährigen Douglas Lambert ( 1936–1986)) eine Anstellung an der US Naval Academy erhalten , trotz des Widerstands des bigotten Stadtlehrers (gespielt von William Schallert ). Bonanza spielt in und um Virginia City, Nevada , wo Michelson mit seinen Eltern lebte, bevor er zur Naval Academy ging. In einem Voice-Over am Ende der Episode erwähnt Greene Michelsons Nobelpreis von 1907.

Das Haus, in dem Michelson als Kind in Murphys Camp, Kalifornien lebte, befand sich im Laden seines Vaters, zuerst in der Main Street, Murphys, CA gegenüber dem Sperry & Perry Hotel und nach dem Brand von 1859 in einem Laden neben dem Hotel . Seine Tante Bertha Meyers besaß ein Haus in der Main Street im Osten der Stadt, und Michelson besuchte ihre Familie dort wahrscheinlich häufig.

New Beast Theatre Works produzierte in Zusammenarbeit mit High Concept Laboratories eine „Halboper“ über Michelson, seinen obsessiven Arbeitsstil und seine Auswirkungen auf sein Familienleben. Die Produktion lief vom 11. Februar bis 26. Februar 2011 in Chicago bei The Building Stage. Michelson wurde von Jon Stutzman porträtiert . Regie führte David Maral mit Musik von Joshua Dumas .

Norman Fitzroy Maclean schrieb einen Aufsatz "Billards is a Good Game"; veröffentlicht in The Norman Maclean Reader (Hrsg. O. Alan Weltzien, 2008), ist es eine Würdigung von Michelson aus der Sicht von Maclean als Doktorand, der ihm regelmäßig beim Billardspielen zusieht.

Ehren und Auszeichnungen

Ein Denkmal an der United States Naval Academy markiert den Weg von Michelsons Experimenten zur Messung der Lichtgeschwindigkeit.

Michelson war Mitglied der Royal Society , der National Academy of Sciences, der American Physical Society und der American Association for the Advancement of Science .

Die Computer Measurement Group vergibt jährlich einen AA Michelson Award .

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links