Альберт Абрахам Майкельсон: Человек, который ничего не нашел

В 1887 году в Кливленде Майкельсон (Albert Abraham Michelson) и Эдвард Морли (Edward Morley) создали прибор, достаточно чувствительный, чтобы обнаружить движение Земли сквозь «светоносный эфир» — невидимую среду, в которой, как предполагала физика XIX века, должны распространяться световые волны. Они не обнаружили никакого движения. Этот нулевой результат является одним из самых значимых в истории науки, а его автор провел остаток жизни, занимаясь тем, что делал всегда: измерял вещи точнее, чем кто-либо до него.

От Стшельно до Вирджиния-Сити

Он родился 19 декабря 1852 года в Стшельно (Strzelno), тогда находившемся в Пруссии, а ныне в Польше, в польско-еврейской семье, эмигрировавшей в Соединенные Штаты, когда он был еще маленьким ребенком. Его отец держал магазин, и мальчик вырос в суровых шахтерских городках американского Запада — Мерфис-Кэмп в Калифорнии и Вирджиния-Сити в Неваде. Старшую школу он окончил в 1869 году в Сан-Франциско, где жил у своей тети Генриетты Леви (Henriette Levy). Его сестра Мириам (Miriam) стала писательницей. Семья была нерелигиозной; Майкельсон всю жизнь оставался агностиком.

Назначение от президента Гранта

В 1869 году он получил особое назначение в Военно-морскую академию США от президента Улисса С. Гранта (Ulysses S. Grant). За четыре года обучения в качестве мичмана он проявил себя в оптике, теплофизике, климатологии и техническом черчении, выпустившись в звании энсина в 1873 году. Затем последовали два года морской службы в Вест-Индии, а в 1875 году он вернулся в Аннаполис преподавать физику и химию.

Именно там, в 1877 году, классная демонстрация превратилась в карьеру. Получив задание показать студентам, как можно измерить скорость света, Майкельсон настолько активно усовершенствовал аппарат, что в 1879 году опубликовал официальную цифру: 299 910 километров в секунду, плюс-минус 50. В том же году его направили в Управление морского альманаха в Вашингтоне для работы с Саймоном Ньюкомом (Simon Newcomb), а затем он отправился в Европу — Берлин, Гейдельберг, Коллеж де Франс, Политехническую школу, — после чего подал в отставку со службы.

В погоне за светом

Скорость света стала стержнем его жизни. В 1883 году его значение составило 299 853 ± 60 км/с. В период с 1920 по 1926 год он пропустил луч между обсерваторией Маунт-Вилсон и горой Лукаут, находившейся в двадцати двух милях, и получил 299 796 ± 4 — точность, невообразимая для него в молодости, хотя землетрясение в Санта-Барбаре 1925 года могло сместить базу под ним. Его последняя кампания, начатая в 1929 году, проводилась с использованием эвакуированной трубки рядом с Санта-Аной. Он скончался, завершив лишь 36 из 233 запланированных серий измерений; результат, 299 774 ± 11 км/с, был опубликован в 1935 году, через четыре года после его смерти. За пятьдесят лет он сократил погрешность фундаментальной константы Вселенной с пятидесяти километров в секунду до одиннадцати.

Прибор, который сделал это возможным, был его собственной разработкой. В 1881 году он создал интерферометр, который расщепляет луч света на два, отправляет их по перпендикулярным путям и объединяет обратно так, что интерференционные полосы показывают разницу в длине пути, намного меньшую, чем длина волны.

Самый известный нулевой результат в науке

Получив назначение в Кливлендскую школу прикладных наук в 1883 году, он усовершенствовал интерферометр, а в 1887 году объединил усилия с Эдвардом Морли из соседнего Университета Западного резервного района (Western Reserve University). Логика была проста: если Земля движется сквозь неподвижный эфир, свет, направленный по направлению движения, должен возвращаться ощутимо дольше, чем свет, направленный поперек. Поверните аппарат, и полосы должны сдвинуться.

Они не сдвинулись. Эксперимент называют каноническим доказательством того, что никакого обнаруживаемого эфира не существует. Хендрик Лоренц (Hendrik Lorentz) ответил на это выводом уравнений сокращения, которые стали частью математики специальной теории относительности. Оказал ли он непосредственное влияние на Эйнштейна (Einstein) — вопрос менее ясный, чем гласит легенда; сам Эйнштейн говорил: «Я не осознавал, что это повлияло на меня напрямую… Полагаю, я просто принял это как должное». Майкельсон же намеревался измерить эфир, а не упразднить его, и так и не принял до конца релятивистский мир, который помог открыть его эксперимент.

Чикаго и первая американская Нобелевская премия

В 1890 году он переехал в Университет Кларка в Вустере, а в 1892 году — в новый Чикагский университет (University of Chicago), где стал профессором-основателем и первым главой кафедры физики до своего выхода на пенсию в 1929 году. Он занимал посты президента Американского физического общества в 1900 году, Американской ассоциации содействия развитию науки в 1910–11 годах и Национальной академии наук с 1923 по 1927 год. Во время Первой мировой войны он вернулся на флот и спроектировал дальномер; он также создал эшелонный спектроскоп — прибор высокого разрешения для разделения спектральных линий.

В 1907 году он стал первым американцем, получившим Нобелевскую премию по любой из наук. Медали сыпались одна за другой: Румфорда (1888), Маттеуччи (1903), Копли (1907), Эллиота Крессона (1912), Генри Дрейпера (1916), медаль Альберта Королевского общества (1920), премия Жюля Жанссена (1922), золотая медаль Королевского астрономического общества и медаль Франклина (обе в 1923 году).

Измерение звезды

В 1920 году вместе с Фрэнсисом Г. Пизом (Francis G. Pease) на Маунт-Вилсон он совершил то, чего никто не делал: измерил диаметр звезды, отличной от Солнца. Используя систему перископов, которая подавала свет от двух вспомогательных зрачков, расположенных на расстоянии до двадцати футов друг от друга, в основной зрачок 100-дюймового телескопа Хукера (Hooker Telescope), они разрешили красный гигант Бетельгейзе (Betelgeuse). Все крупные интерферометрические массивы, работающие сегодня — VLTI в Чили, CHARA на Маунт-Вилсон, NPOI ВМС — происходят из той установки.

Почему Альберта называют гением

Дело не в теоретических прозрениях; Майкельсон не предложил никаких законов и не написал никаких уравнений, носящих его имя. Это инструментальное воображение — способность понять, что вопрос, который другие считали неразрешимым, на самом деле был проблемой создания лучшей линейки, и затем создать её. Интерферометр был по-настоящему новой идеей о том, как сравнивать две величины, и он превратил абстрактный космологический вопрос в полосы, которые человек мог пересчитать глазами. Эта же способность создала эшелонный спектроскоп, морской дальномер и звездный интерферометр, и полвека позволяла уменьшать пределы погрешности скорости света.

Нобелевский комитет отметил именно это: сначала инструменты, затем результаты. Он был первым американским ученым, которого европейские коллеги признали равным себе, а посты президента трех национальных организаций подтверждают, что так считали и его коллеги.

Честный контраргумент заключается в том, что Майкельсон не понимал значения своего самого известного результата. Он охотился за эфиром и был разочарован, не найдя его; смысл придали Лоренц и Эйнштейн. По его собственным словам, им двигали не великие вопросы, а удовольствие — на вопрос, почему он изучает свет, он якобы ответил: «потому что это так весело». Назовите его величайшим экспериментатором своего века, а не одним из великих теоретиков, и картина сложится без натяжек.

Наследие

Он скончался в Пасадене 9 мая 1931 года в возрасте семидесяти восьми лет, не закончив свой последний эксперимент по измерению скорости света. Его имя носят здания в Чикагском университете, Кейсовском университете Западного резервного района и Военно-морской академии, лаборатория Майкельсона на военно-морской базе в Чайна-Лейк, а также серия премий и лекций Майкельсона-Морли в Кейсовском университете. Более важный памятник — процедурный. Интерферометр, который он построил в 1881 году для погони за средой, которой не оказалось, теперь является стандартным оборудованием везде, где физикам нужно сравнить две длины с невозможной точностью, а массив, который он импровизировал на Маунт-Вилсон в 1920 году, является предком каждого телескопа, который разрешает звезду как диск, а не как точку.