Альберт Майкельсон: интерферометрия звёзд¶

Альберт Майкельсон — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1907 года, наиболее известный как создатель интерферометра Майкельсона и один из пионеров звёздной интерферометрии. Его работы в области оптики и метрологии заложили основы для точных измерений скорости света, экспериментальной проверки теории относительности и методов астрономических наблюдений высокого разрешения.

¶Биография и научный путь

Альберт Абрахам Майкельсон родился 19 декабря 1852 года в городе Стшельно (Пруссия, ныне Польша) в еврейской семье. В 1855 году семья эмигрировала в США. В 1873 году Майкельсон окончил Военно-морскую академию США в Аннаполисе, где проявил интерес к физике и оптике. После службы на флоте он продолжил образование в Европе, обучаясь в Берлине, Гейдельберге и Париже.

С 1883 года Майкельсон преподавал физику в Кейсовской школе прикладной науки в Кливленде, затем в Вустерском университете Кларка. В 1892 году он стал профессором и первым заведующим кафедрой физики Чикагского университета, где работал до 1929 года. В 1923 году Майкельсон был избран президентом Национальной академии наук США.

¶Интерферометр Майкельсона

Основным инструментом, принёсшим учёному мировую известность, стал оптический интерферометр, сконструированный им в 1881 году. Прибор основан на явлении интерференции света: луч от источника разделяется полупрозрачным зеркалом на два пучка, которые проходят разные оптические пути, отражаются от зеркал и, возвращаясь, интерферируют. Разность хода между пучками определяется положением подвижного зеркала.

Интерферометр Майкельсона позволил измерять длины волн света с невиданной точностью и стал стандартным инструментом метрологии. В 1887 году совместно с Эдвардом Морли Майкельсон использовал этот прибор в знаменитом эксперименте, целью которого было обнаружение «эфирного ветра» — движения Земли относительно гипотетической светоносной среды. Нулевой результат эксперимента стал одним из ключевых аргументов против существования эфира и способствовал созданию специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

¶Звёздная интерферометрия

В конце XIX века Майкельсон обратился к проблеме измерения угловых размеров звёзд. Дифракционный предел телескопа не позволял напрямую разрешить диски даже ближайших звёзд, поскольку их видимые угловые диаметры составляют тысячные доли угловой секунды. Майкельсон предложил использовать принцип интерференции для обхода этого ограничения.

Идея состояла в том, чтобы установить на телескопе две подвижные щели или зеркала, разнесённые на значительное расстояние. Свет от звезды, проходя через такую систему, создаёт интерференционную картину, контраст которой зависит от углового размера источника. По мере увеличения расстояния между щелями (базы) контраст полос уменьшается до нуля, когда база становится сравнима с когерентной длиной волны излучения. Из этого расстояния можно вычислить угловой диаметр звезды.

¶Измерения на телескопе Маунт-Вилсон

Практическую реализацию метода Майкельсон осуществил в 1920 году совместно с Фрэнсисом Пизом на 100-дюймовом (2,5-метровом) телескопе обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии. На верхней части телескопа была смонтирована стальная балка длиной 6 метров с четырьмя зеркалами, направлявшими свет от двух внешних зеркал в фокус инструмента. Это устройство получило название «интерферометр Майкельсона для звёзд».

Первым объектом наблюдений стала звезда Бетельгейзе (Альфа Ориона). Учёные обнаружили, что интерференционные полосы исчезают при базе около 3 метров. Это позволило оценить угловой диаметр звезды в 0,047 угловой секунды. С учётом известного расстояния до Бетельгейзе (около 500 световых лет) это давало линейный диаметр, превышающий диаметр орбиты Марса, что подтвердило представления о красных сверхгигантах как о чрезвычайно протяжённых объектах.

В течение последующих лет Майкельсон и его сотрудники измерили угловые диаметры ещё нескольких ярких звёзд, включая Арктур, Вегу и Антарес. Максимальная достигнутая база в 6 метров позволила разрешать звёзды с угловыми диаметрами до 0,02 угловой секунды.

¶Научное значение и наследие

Звёздная интерферометрия Майкельсона стала прорывом в астрономии, позволив впервые непосредственно измерить физические размеры далёких светил. Метод продемонстрировал, что интерференционные техники могут применяться за пределами лаборатории, и открыл путь к созданию более совершенных астрономических интерферометров.

В 1920-е годы Майкельсон также занимался точным определением скорости света, используя вращающиеся зеркала и длинные базовые линии. Его измерения, проведённые на горе Маунт-Вилсон и в Калифорнийском технологическом институте, дали значение 299 796 км/с, которое оставалось эталонным на протяжении десятилетий.

Майкельсон скончался 9 мая 1931 года в Пасадене (Калифорния). Его имя носят кратер на Луне, астероид, единица измерения длины в спектроскопии (майкельсон) и приборы, основанные на его принципе. Современные оптические интерферометры, такие как Very Large Telescope Interferometer в Чили, используют ту же базовую концепцию, разработанную Майкельсоном, но с базами в сотни метров, что позволяет получать изображения звёздных поверхностей с беспрецедентным разрешением.

¶Источники

• Лившиц М. А. «Альберт Майкельсон: жизнь и научная деятельность». — М.: Наука, 1983.
• Michelson A. A. «Studies in Optics». — Chicago: University of Chicago Press, 1927.
• Pease F. G. «The Interferometer Method of Measuring Angular Diameters of Stars». — Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1921.