Albert A. Michelson
Albert Abraham Michelson FFRS FRSE (pronunciación del apellido en inglés como "Michael-son", 19 de diciembre de 1852 - 9 de mayo de 1931) nació en Polonia (en este momento ocupado militarmente por Prusia) físico polaco-estadounidense de religión judía, conocido por su trabajo sobre la medición de la velocidad de la luz y especialmente por el experimento de Michelson-Morley. En 1907 recibió el Premio Nobel de Física, convirtiéndose en el primer estadounidense en ganar el Premio Nobel de una ciencia. Fue el fundador y el primer director de los departamentos de física de la Case School of Applied Science (ahora Case Western Reserve University) y la Universidad de Chicago.
Vida
Michelson nació en Strelno, Posen, Reino de Prusia (actual Strzelno, Polonia), de padres judíos, hijo de Samuel Michelson y su esposa, Rozalia Przyłubska. Se mudó a los Estados Unidos con sus padres en 1855, a la edad de dos años. Creció en los pueblos mineros de Murphy's Camp, California, y Virginia City, Nevada, donde su padre era comerciante. Su familia no era religiosa y el propio Michelson fue un agnóstico de toda la vida. Pasó sus años de escuela secundaria en San Francisco en la casa de su tía, Henriette Levy (de soltera Michelson), quien era la madre de la autora Harriet Lane Levy.
El presidente Ulysses S. Grant otorgó a Michelson un nombramiento especial en la Academia Naval de EE. UU. en 1869. Durante sus cuatro años como guardiamarina en la Academia, Michelson se destacó en óptica, calor, climatología y dibujo técnico. Después de graduarse en 1873 y dos años en el mar, regresó a la Academia Naval en 1875 para convertirse en instructor de física y química hasta 1879. En 1879, fue destinado a la Oficina de Almanaque Náutico, Washington (parte del Observatorio Naval de los Estados Unidos).), para trabajar con Simon Newcomb. Al año siguiente obtuvo una excedencia para continuar sus estudios en Europa. Visitó las Universidades de Berlín y Heidelberg, y el Collège de France y la École Polytechnique de París.
Michelson estaba fascinado con las ciencias y, en particular, con el problema de medir la velocidad de la luz. Mientras estaba en Annapolis, realizó sus primeros experimentos sobre la velocidad de la luz, como parte de una demostración de clase en 1877. Su experimento de Annapolis se perfeccionó y, en 1879, midió la velocidad de la luz en el aire en 299 864 ± 51 kilómetros por segundo., y estimó la velocidad de la luz en el vacío en 299 940 km/s, o 186 380 mi/s. Después de dos años de estudios en Europa, renunció a la Armada en 1881. En 1883 aceptó un puesto como profesor de física en la Case School of Applied Science en Cleveland, Ohio, y se concentró en desarrollar un interferómetro mejorado. En 1887, él y Edward Morley llevaron a cabo el famoso experimento de Michelson-Morley que fracasó en detectar evidencia de la existencia del éter luminífero. Más tarde pasó a utilizar interferómetros astronómicos en la medición de diámetros estelares y en la medición de las separaciones de estrellas binarias.
En 1889, Michelson se convirtió en profesor en la Universidad de Clark en Worcester, Massachusetts, y en 1892 fue nombrado profesor y primer director del departamento de física en la recién organizada Universidad de Chicago. En 1902, fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Estadounidense.
En 1907, Michelson tuvo el honor de ser el primer estadounidense en recibir un Premio Nobel de Física "por sus instrumentos ópticos de precisión y las investigaciones espectroscópicas y metrológicas realizadas con su ayuda". También ganó la Medalla Copley en 1907, la Medalla Henry Draper en 1916 y la Medalla de oro de la Royal Astronomical Society en 1923. Un cráter en la Luna lleva su nombre.
Regresó al servicio militar en los últimos meses de la Primera Guerra Mundial como teniente comandante en la Reserva Naval, sirviendo en la Oficina de Artillería. Fue ascendido a Comandante en la reserva en mayo de 1919 y fue llamado brevemente al servicio activo en el Distrito Naval 9 antes de ser liberado del servicio el 30 de septiembre de 1921.
Michelson murió en Pasadena, California, a la edad de 78 años. Las residencias estudiantiles de la Universidad de Chicago recordaron a Michelson y sus logros dedicando 'Michelson House' en su honor. Case Western Reserve le ha dedicado una Casa Michelson, y Michelson Hall (un edificio académico de aulas, laboratorios y oficinas de ciencias) en la Academia Naval de los Estados Unidos también lleva su nombre. El Laboratorio Michelson en la Estación Naval de Armas Aéreas China Lake en Ridgecrest, California, lleva su nombre. Hay una exhibición en el área de acceso público del laboratorio que incluye facsímiles de la medalla del Premio Nobel de Michelson, el documento del premio y ejemplos de sus rejillas de difracción. En 2017, también se cambió el nombre de un centro de investigación de física recientemente renovado en la Universidad de Chicago en honor a Michelson.
Se han creado numerosos premios, conferencias y honores en nombre de Albert A. Michelson. Algunos de los premios y conferencias actuales con el nombre de Michelson incluyen los siguientes: el Premio y Conferencia Bomem-Michelson presentados anualmente hasta 2017 por la Sociedad de Coblentz; el premio y conferencia Michelson-Morley, junto con la serie de conferencias Michelson y la cátedra del premio postdoctoral Michelson, todos los cuales son otorgados anualmente por la Universidad Case Western Reserve; El aa. Premio Michelson presentado cada año por Computer Measurement Group; el Premio Albert A. Michelson otorgado por la Liga Naval de los Estados Unidos; y la serie de conferencias en memoria de Michelson que presenta anualmente la División de Matemáticas y Ciencias de la Academia Naval de EE. UU.
Familia
En 1877, Michelson se casó con Margaret Hemingway, hija de un rico corredor de bolsa y abogado de Nueva York y sobrina de su comandante William T. Sampson. Tuvieron dos hijos y una hija.
En 1899 se casó con Edna Stanton. Criaron tres hijas.
Es tío abuelo del físico Peter Michelson.
Velocidad de la luz
Primeras mediciones
Michelson estuvo fascinado por la luz toda su vida. Una vez que se le preguntó por qué estudió la luz, dijo: "porque es muy divertido".
Ya en 1869, mientras se desempeñaba como oficial en la Marina de los Estados Unidos, Michelson comenzó a planificar una repetición del método del espejo giratorio de Léon Foucault para medir la velocidad de la luz, utilizando una óptica mejorada y una línea de base más larga. Realizó algunas mediciones preliminares utilizando equipos en gran parte improvisados en 1878, casi al mismo tiempo que su trabajo llamó la atención de Simon Newcomb, director de la Oficina de Almanaque Náutico, que ya estaba avanzado en la planificación de su propio estudio.
Los experimentos formales de Michelson tuvieron lugar en junio y julio de 1879. Construyó un edificio de armazón a lo largo del malecón norte de la Academia Naval para albergar la maquinaria. Michelson publicó su resultado de 299 910 ± 50 km/s en 1879 antes de unirse a Newcomb en Washington DC para ayudar con sus mediciones allí. Así comenzó una larga colaboración profesional y de amistad entre ambos.
Simon Newcomb, con su proyecto mejor financiado, obtuvo un valor de 299 860 ± 30 km/s, justo en el límite extremo de consistencia con el de Michelson. Michelson continuó "refinando" su método y en 1883 publicó una medida de 299.853 ± 60 km/s, bastante más cercana a la de su mentor.
Monte Wilson y Montaña Mirador
En 1906, E. B. Rosa y la Oficina Nacional de Normas utilizaron un método eléctrico novedoso para obtener un valor para la velocidad de la luz de 299 781 ± 10 km/s. Aunque posteriormente se ha demostrado que este resultado está severamente sesgado por los estándares eléctricos deficientes que se usaban en ese momento, parece haber establecido una moda para valores medidos bastante más bajos.
Desde 1920, Michelson comenzó a planificar una medición definitiva desde el Observatorio del Monte Wilson, utilizando una línea de base hasta la Montaña Lookout, un bache prominente en la cresta sur del Monte San Antonio ("Old Baldy"), unos 22 millas de distancia.
En 1922, el Servicio Geodésico y de la Costa de EE. UU. comenzó dos años de laboriosas mediciones de la línea de base utilizando las cintas invar disponibles recientemente. Con la longitud de referencia establecida en 1924, se realizaron mediciones durante los siguientes dos años para obtener el valor publicado de 299 796 ± 4 km/s.
A pesar de lo famosa que es la medición, estaba plagada de problemas, uno de los cuales era la neblina creada por el humo de los incendios forestales que desdibujaba la imagen del espejo. También es probable que el trabajo intensamente detallado del levantamiento geodésico, con un error estimado de menos de una parte en 1 millón, se vio comprometido por un cambio en la línea de base que surgió del terremoto de Santa Bárbara del 29 de junio de 1925, que fue un magnitud estimada de 6,3 en la escala de Richter.
El ahora famoso experimento de Michelson-Morley también influyó en los intentos de afirmación de la teoría de la relatividad general y la relatividad especial de Albert Einstein, usando instrumentación óptica similar. Estos instrumentos y colaboraciones relacionadas incluyeron la participación de los compañeros físicos Dayton Miller, Hendrik Lorentz y Robert Shankland.
Michelson, Pease y Pearson
El período posterior a 1927 marcó el advenimiento de nuevas mediciones de la velocidad de la luz utilizando novedosos dispositivos electro-ópticos, todos sustancialmente más bajos que el valor de 1926 de Michelson.
Michelson buscó otra medida, pero esta vez en un tubo de vacío para evitar dificultades en la interpretación de la imagen por efectos atmosféricos. En 1929, comenzó una colaboración con Francis G. Pease y Fred Pearson para realizar una medición en un tubo de 1,6 km y 3 pies de diámetro en Irvine Ranch, cerca de Santa Ana, California. En reflejos múltiples, la trayectoria de la luz se incrementó a 5 millas. Por primera vez en la historia se midió la velocidad de la luz en un vacío casi perfecto de 0,5 mm de mercurio. Michelson murió con solo 36 de las 233 series de mediciones completadas y, posteriormente, el experimento se vio afectado por la inestabilidad geológica y los problemas de condensación antes de que el resultado de 299 774 ± 11 km/s, consistente con los valores electroópticos predominantes, se publicara póstumamente en 1935.
Aplicación de principios estadísticos básicos en el estudio de Michelson sobre la velocidad de la luz
Durante junio y principios de julio de 1879, Michelson perfeccionó los arreglos experimentales a partir de los desarrollados por Hippolyte Fizeau y Léon Foucault. La configuración experimental fue la siguiente: la luz generada por una fuente se dirige hacia un espejo giratorio a través de una rendija en una placa fija; el espejo giratorio refleja la luz entrante y en un cierto ángulo, hacia la dirección donde se coloca otro espejo plano fijo cuya superficie es perpendicular al rayo de luz entrante; el espejo giratorio debería haber girado un ángulo α en el momento en que el rayo de luz viaja de regreso y se refleja nuevamente hacia la placa fija (la distancia entre el espejo fijo y el giratorio se registra como D); se detecta un desplazamiento de la rendija en la placa que mide d; la distancia desde el espejo giratorio hasta la placa fija se designa como el radio r mientras que el número de revoluciones por segundo del espejo se registra como ω. De esta forma, tan(2α) = d/r; Δt = (α/2π)/ ω; la velocidad de la luz se puede derivar como c = 2D/Δt.
Mientras que a simple vista, están involucradas cuatro cantidades medidas: distancia D, radio r, desplazamiento d y revolución del espejo giratorio por segundo ω, que parece simple; sin embargo, debido a la limitación de la tecnología de medición en ese momento, Michelson hizo grandes esfuerzos para reducir los errores sistemáticos y aplicar las correcciones posteriores. Por ejemplo, adoptó una cinta métrica de acero con una longitud de 100 pies y tenía la intención de medir decenas de veces la distancia; aun así, midió su longitud con una copia de la yarda estándar oficial para determinar que era de 100,006 pies, eliminando así un error sistemático, aunque pequeño.
Además de los esfuerzos por reducir al máximo los errores sistemáticos, se realizaron mediciones repetidas en múltiples niveles para obtener resultados más precisos. Como señalaron R.J.MacKay y R.W.Oldford en su artículo, "Está claro que Michelson apreciaba el poder de promediar para reducir la variabilidad en la medición", está claro que Michelson tenía en mente la propiedad de que los promedios varían menos, lo que debería describirse formalmente como: la desviación estándar del promedio de n variables aleatorias independientes es menor que la de una sola variable aleatoria por un factor de la raíz cuadrada de n. Para darse cuenta de eso, también se esforzó en que cada medida no se influyera entre sí, siendo así variables aleatorias mutuamente independientes.
Un modelo estadístico para mediciones repetidas con la suposición de independencia o distribuciones idénticas no es realista. En el caso del estudio de la velocidad de la luz, cada medida se aborda como la suma de la cantidad de interés y el error de medida. En ausencia de error sistemático, el error de medición de la velocidad de la luz se puede modelar mediante una muestra aleatoria de una distribución con expectativa desconocida y varianza finita; por lo tanto, la velocidad de la luz está representada por la expectativa de la distribución del modelo y el objetivo final es estimar la expectativa de la distribución del modelo en el conjunto de datos adquirido. La ley de los grandes números sugiere estimar la expectativa por la media muestral.
Experimento de interferometría de Michelson-Morley
En 1887 colaboró con su colega Edward Williams Morley de la Universidad Western Reserve, ahora parte de la Universidad Case Western Reserve, en el experimento de Michelson-Morley. Su experimento sobre el movimiento esperado de la Tierra en relación con el éter, el medio hipotético en el que se suponía que viajaba la luz, dio como resultado un resultado nulo. Sorprendido, Michelson repitió el experimento con mayor y mayor precisión durante los años siguientes, pero siguió sin encontrar la capacidad de medir el éter. Los resultados de Michelson-Morley fueron inmensamente influyentes en la comunidad física, lo que llevó a Hendrik Lorentz a diseñar sus ahora famosas ecuaciones de contracción de Lorentz como un medio para explicar el resultado nulo.
Ha habido cierta controversia histórica sobre si Albert Einstein conocía los resultados de Michelson-Morley cuando desarrolló su teoría de la relatividad especial, que declaraba que el éter era "superfluo". En una entrevista posterior, Einstein dijo sobre el experimento de Michelson-Morley: "No estaba consciente de que me había influido directamente... Supongo que simplemente di por sentado que era cierto". Independientemente del conocimiento específico de Einstein, el experimento se considera hoy el experimento canónico en lo que respecta a mostrar la falta de un éter detectable.
La precisión de su equipo permitió a Michelson y Morley ser los primeros en obtener valores precisos para la estructura fina en las líneas espectrales atómicas, para lo cual en 1916 Arnold Sommerfeld dio una explicación teórica, introduciendo la constante de estructura fina.
Interferometría astronómica
Óptica
(feminine)
En 1920, Michelson y Francis G. Pease realizaron la primera medición del diámetro de una estrella distinta del Sol. Michelson había inventado la interferometría astronómica y construyó un instrumento de este tipo en el Observatorio Mount Wilson que se utilizó para medir el diámetro de la gigante roja Betelgeuse. Se utilizó un arreglo de periscopio para dirigir la luz de dos subpupilas, separadas por hasta 20 pies (6 m), hacia la pupila principal del telescopio Hooker de 100 pulgadas (2,5 m), produciendo franjas de interferencia observadas a través del ocular. La medición de diámetros estelares y las separaciones de estrellas binarias ocuparon una cantidad cada vez mayor de la vida de Michelson después de esto.
A partir de la década de 1970, se revivió la interferometría astronómica, con configuraciones que utilizan dos (o más) aperturas separadas (con diámetros pequeños en comparación con su separación) a menudo denominadas "interferometría estelar de Michelson". Esto fue para distinguirlo de la interferometría moteada, pero no debe confundirse con el interferómetro de Michelson, que es una configuración común de interferómetro de laboratorio de la cual el interferómetro utilizado en el experimento de Michelson-Morley fue un ejemplo. El concepto de Michelson de interferencia de luz procedente de dos aberturas relativamente pequeñas separadas por una distancia considerable (pero con esa distancia, o línea de base, ahora a menudo de cientos de metros) se emplea en los modernos observatorios operativos. como VLTI, CHARA y el NPOI de la Marina de los EE. UU.
Onda gravitatoria
Las ondas gravitacionales se detectan mediante un interferómetro de Michelson con una fuente de luz láser. En 2020 había tres detectores de ondas gravitacionales de interferómetro Michelson en funcionamiento y un cuarto en construcción. Estos interferómetros de Michelson tienen brazos de 4 kilómetros de longitud, colocados en ángulos de 90 grados entre sí, y la luz pasa a través de tubos de vacío de 1 m de diámetro en toda su longitud. Una onda gravitacional que pasa estirará ligeramente un brazo mientras acorta el otro. Este es precisamente el movimiento al que estos interferómetros de Michelson son más sensibles. Hasta 2020, se habían observado quince eventos de ondas gravitacionales utilizando estos interferómetros de Michelson.
Analizador de armónicos
En la década de 1890, Michelson construyó un dispositivo mecánico llamado analizador de armónicos para calcular los coeficientes de las series de Fourier y dibujar gráficos de sus sumas parciales. Él y S. W. Stratton publicaron un artículo sobre esta máquina en el American Journal of Science en 1898.
Michelson en la cultura popular
En el episodio 26 de la temporada 3 de la serie de televisión Bonanza ("Look to the Stars", emitida el 18 de marzo de 1962), Ben Cartwright (Lorne Greene) ayuda a los 16- Michelson, de 25 años (interpretado por Douglas Lambert (1936-1986), de 25 años) obtiene un nombramiento en la Academia Naval de EE. UU., a pesar de la oposición del intolerante maestro de escuela del pueblo (interpretado por William Schallert). Bonanza se desarrolló en Virginia City, Nevada y sus alrededores, donde Michelson vivía con sus padres antes de irse a la Academia Naval. En una voz en off al final del episodio, Greene menciona el Premio Nobel de 1907 de Michelson.
La casa en la que Michelson vivió de niño en Murphys Camp, California, estaba en la tienda de su padre, primero en Main Street, Murphys, CA, frente a Sperry & Perry Hotel y después del incendio de 1859, en una tienda al lado del hotel. Su tía Bertha Meyers era propietaria de una casa en Main Street hacia el extremo este de la ciudad y Michelson probablemente visitaba a su familia allí con frecuencia.
New Beast Theatre Works, en colaboración con High Concept Laboratories, produjo una 'semiópera' sobre Michelson, su obsesivo estilo de trabajo y su efecto en su vida familiar. La producción se desarrolló del 11 al 26 de febrero de 2011 en Chicago en The Building Stage. Michelson fue interpretado por Jon Stutzman. La obra fue dirigida por David Maral con música compuesta por Joshua Dumas.
Norman Fitzroy Maclean escribió un ensayo "El billar es un buen juego"; publicado en The Norman Maclean Reader (ed. O. Alan Weltzien, 2008), es una apreciación de Michelson desde el punto de vista de Maclean como estudiante de posgrado que lo observaba regularmente jugar al billar.
Honores y premios
- 1888 – Premio Rumford
- 1903 – Medalla Matteucci
- 1907 – Medalla de Copley
- 1907 – Premio Nobel de Física
- 1912 – Elliott Cresson Medalla
- 1916 – Henry Draper Medalla de la Academia Nacional de Ciencias
- 1922 – Prix Jules Janssen, el premio más alto de la Société astronomique de France, la sociedad astronómica francesa.
- 1923 – Medalla de oro de la Royal Astronomical Society
- 1923 – Franklin Medalla
Michelson fue miembro de la Royal Society, la Academia Nacional de Ciencias, la Sociedad Estadounidense de Física y la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia.
El Computer Measurement Group otorga un premio anual A. A. Michelson.
Obras
- Olas de luz y sus usos. Chicago: University Press. 1907.
- Détermination expérimentale de la valeur du mètre en longueurs d'ondes lumineuses. París: Gauthier-Villars et fils, 1894. (Traducción francesa) Determinación experimental de la velocidad de la luz)