ألبرت أ. ميكلسون

وُلد ألبرت أبراهام ميكلسون في 19 ديسمبر 1852 في ستريلنو ( سترزلنو حاليًا ، بولندا)، بروسيا ، لعائلة يهودية بولندية . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} انتقل إلى الولايات المتحدة مع والديه عام 1855، في سن الثانية. نشأ في بلدتي التعدين مورفيز كامب ، كاليفورنيا، وفيرجينيا سيتي، نيفادا ، حيث كان والده تاجرًا. لم تكن عائلته متدينة، وكان ميكلسون نفسه لا أدريًا طوال حياته . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} أمضى سنوات دراسته الثانوية في سان فرانسيسكو في منزل عمته، هنرييت ليفي (اسمها قبل الزواج ميكلسون)، والدة الكاتبة هارييت لين ليفي . ^{[ 12 ]} شقيقته هي الروائية ميريام ميكلسون .

منح الرئيس يوليسيس إس. غرانت مايكلسون تعيينًا خاصًا في الأكاديمية البحرية الأمريكية عام 1869. ^{[ 13 ]} وخلال سنواته الأربع كضابط بحري في الأكاديمية، برع في علم البصريات ، وعلم الحرارة، وعلم المناخ ، والرسم الهندسي . بعد تخرجه عام 1873 وقضاء عامين في البحر، عاد إلى الأكاديمية البحرية عام 1875 ليعمل مدرسًا للفيزياء والكيمياء حتى عام 1879، حين نُقل إلى مكتب التقويم البحري في واشنطن (التابع للمرصد البحري الأمريكي ) ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} للعمل مع سيمون نيوكومب . وفي العام التالي، حصل على إجازة لمواصلة دراسته في أوروبا؛ حيث زار جامعتي برلين وهايدلبرغ في ألمانيا، وكوليج دو فرانس والمدرسة المتعددة التقنيات في باريس، فرنسا.

كان ميكلسون مفتونًا بالعلوم، ولا سيما مشكلة قياس سرعة الضوء . أثناء وجوده في أنابوليس ، أجرى تجاربه الأولى على سرعة الضوء كجزء من عرض توضيحي في الفصل الدراسي عام 1877. تم تحسين تجربته في أنابوليس، وفي عام 1879، ^قاس سرعة الضوء في الهواء ووجدها ^{180 ...}299864 ± 51 كيلومترًا في الثانية، وقدّر سرعة الضوء في الفراغ على النحو التالي :299940 كم  /ث ، أو186380  ^ميل /ثانية . ^{[ 18 ] [ 19} ] ^{[ 20 ]} بعد عامين من الدراسة في أوروبا، استقال من البحرية عام 1881. وفي عام 1883، عُيّن أستاذًا للفيزياء في كلية كيس للعلوم التطبيقية في كليفلاند ، أوهايو، وركز على تطوير مقياس تداخل مُحسّن. وفي عام 1887، أجرى مع إدوارد مورلي تجربة ميكلسون-مورلي الشهيرة ، التي لم تُسفر عن أي دليل على وجود الأثير المُضيء . ثم انتقل لاحقًا إلى استخدام مقاييس التداخل الفلكية في قياس أقطار النجوم والمسافات الفاصلة بين النجوم الثنائية.

في عام 1890، أصبح ميكلسون أستاذاً في جامعة كلارك في ووستر، ماساتشوستس . وفي عام 1892، عُيّن أستاذاً وأول رئيس لقسم الفيزياء في جامعة شيكاغو التي تم تأسيسها حديثاً ، حيث بقي حتى تقاعده في عام 1929.

عاد ميكلسون إلى الخدمة العسكرية في الأشهر الأخيرة من الحرب العالمية الأولى برتبة ملازم أول في الاحتياط البحري ، حيث خدم في مكتب الذخائر . رُقّي إلى رتبة قائد في الاحتياط في مايو 1919، واستُدعي لفترة وجيزة للخدمة الفعلية في المنطقة البحرية التاسعة قبل تسريحه من الخدمة في 30 سبتمبر 1921. ^{[ 2 ]}

توفي ميكلسون في 9 مايو 1931 في باسادينا، كاليفورنيا ، عن عمر يناهز 78 عامًا. ^{[ 21 ]}

كان ميكلسون مفتونًا بالضوء طوال حياته. وعندما سُئل ذات مرة عن سبب دراسته للضوء، قال على ما يبدو: "لأنه ممتع للغاية". ^{[ 22 ]}

في وقت مبكر من عام 1869، وأثناء خدمته كضابط في البحرية الأمريكية ، بدأ ميكلسون التخطيط لإعادة تطبيق طريقة المرآة الدوارة التي ابتكرها ليون فوكو لقياس سرعة الضوء، باستخدام بصريات محسّنة وقاعدة أطول. وأجرى بعض القياسات الأولية باستخدام معدات مرتجلة إلى حد كبير في عام 1878، في نفس الوقت تقريبًا الذي لفت فيه عمله انتباه سيمون نيوكومب ، مدير مكتب التقويم البحري، الذي كان قد قطع شوطًا كبيرًا في التخطيط لدراسته الخاصة.

أُجريت تجارب ميكلسون الرسمية في يونيو ويوليو من عام 1879. وقد شيّد مبنىً خشبيًا على طول الجدار البحري الشمالي للأكاديمية البحرية لإيواء الآلات. ^{[ 23 ]} نشر ميكلسون نتيجته التي بلغت 299,910  ±  50  كم/ث في عام 1879 قبل انضمامه إلى نيوكومب في واشنطن العاصمة للمساعدة في قياساته هناك. وهكذا بدأت علاقة تعاون مهني وصداقة طويلة بينهما.

حصل سيمون نيوكومب ، بفضل مشروعه الذي حظي بتمويل أكبر، على قيمة بلغت 299,860  ±  30  كم/ث، وهي قيمة قريبة جدًا من قيمة ميكلسون. واصل ميكلسون "تحسين" طريقته، وفي عام 1883 نشر قياسًا بلغ 299,853  ±  60  كم/ث، وهو أقرب إلى قيمة أستاذه.

في عام 1906، استخدم إي. بي. روزا والمكتب الوطني للمعايير طريقة كهربائية مبتكرة للحصول على قيمة لسرعة الضوء تبلغ 299,781  ±  10  كم/ث. ورغم أن هذه النتيجة تبين لاحقًا أنها متحيزة بشدة بسبب ضعف المعايير الكهربائية المستخدمة آنذاك، إلا أنها يبدو أنها أرست معيارًا لقياس قيم أقل بكثير.

بدأ ميكلسون منذ عام 1920 في التخطيط لقياس نهائي من مرصد جبل ويلسون ، باستخدام خط أساس إلى جبل لوك آوت ، وهو نتوء بارز على الحافة الجنوبية لجبل سان أنطونيو ("أولد بالدي")، على بعد حوالي 22 ميلاً.

في عام 1922، بدأت هيئة المسح الساحلي والجيوديسي الأمريكية عامين من القياس الدقيق لخط الأساس باستخدام أشرطة الإنفار التي كانت متاحة حديثًا آنذاك . وبعد تحديد طول خط الأساس في عام 1924، أُجريت القياسات على مدى العامين التاليين للحصول على القيمة المنشورة البالغة 299,796  ±  4  كم/ث. ^{[ 25 ]}

على الرغم من شهرة هذا القياس، إلا أنه واجه العديد من المشاكل، أبرزها الضباب الناتج عن دخان حرائق الغابات الذي شوّه الصورة المنعكسة. ومن المحتمل أيضاً أن العمل الدقيق والمفصل للمسح الجيوديسي ، والذي يُقدّر هامش الخطأ فيه بأقل من جزء واحد في المليون، قد تأثر بانزياح في خط الأساس ناجم عن زلزال سانتا باربرا في 29 يونيو 1925، والذي قُدّرت قوته بـ 6.3 درجة على مقياس ريختر .

أثرت تجربة ميكلسون-مورلي الشهيرة الآن أيضاً على محاولات تأكيد نظريتي النسبية العامة والنسبية الخاصة للعالم ألبرت أينشتاين ، باستخدام أدوات بصرية مماثلة. وشملت هذه الأدوات والتعاونات ذات الصلة مشاركة الفيزيائيين دايتون ميلر وهندريك لورنتز وروبرت شانكلاند .

شهدت الفترة التي تلت عام 1927 ظهور قياسات جديدة لسرعة الضوء باستخدام أجهزة كهروضوئية مبتكرة ، وكانت جميعها أقل بكثير من قيمة ميكلسون لعام 1926.

سعى ميكلسون إلى إجراء قياس آخر، ولكن هذه المرة في أنبوب مفرغ لتجنب صعوبات تفسير الصورة بسبب التأثيرات الجوية. في عام 1929، بدأ تعاونًا مع فرانسيس جي. بيس وفريد ​​بيرسون لإجراء قياس في  أنبوب طوله 1.6 كيلومتر وقطره 3 أقدام في مزرعة إيرفين بالقرب من سانتا آنا، كاليفورنيا. ^{[ 26 ] [ 27 ]} في انعكاسات متعددة، زاد مسار الضوء إلى 5 أميال. ولأول مرة في التاريخ، تم قياس سرعة الضوء في فراغ شبه مثالي بسماكة 0.5  مليمتر من الزئبق. توفي ميكلسون بعد إكمال 36 سلسلة قياس فقط من أصل 233، وعانت التجربة لاحقًا من عدم استقرار جيولوجي ومشاكل تكثف قبل ظهور نتائجها.299774 ± 11 كم /ث ، بما يتوافق مع القيم  الكهروضوئية السائدة ، تم نشرها بعد وفاته في عام 1935. ^{[ 27 ]}

خلال شهري يونيو وأوائل يوليو من عام 1879، قام ميكلسون بتحسين الترتيبات التجريبية التي طورها هيبوليت فيزو وليون فوكو . كان الإعداد التجريبي كما يلي: يُوجَّه الضوء المنبعث من مصدر نحو مرآة دوارة عبر شق على لوحة ثابتة؛ تعكس المرآة الدوارة الضوء الساقط بزاوية معينة، باتجاه مرآة مستوية ثابتة أخرى موضوعة سطحها عمودي على شعاع الضوء الساقط؛ يجب أن تكون المرآة الدوارة قد دارت بزاوية α بحلول الوقت الذي يعود فيه شعاع الضوء وينعكس مرة أخرى نحو اللوحة الثابتة (تُسجَّل المسافة بين المرآة الثابتة والدوارة كـ D )؛ يُرصد إزاحة من الشق على اللوحة تُقاس بـ d ؛ تُسمى المسافة من المرآة الدوارة إلى اللوحة الثابتة بنصف القطر r، بينما يُسجَّل عدد دورات المرآة في الثانية كـ ω . وبهذه الطريقة، tan( 2α ) = d / r . Δ t = ( α /2 π )/ ω ; يمكن اشتقاق سرعة الضوء على النحو التالي c = 2 D /Δ t .    

على الرغم من بساطة القياسات الظاهرية، والتي تتضمن أربع كميات: المسافة D ، ونصف القطر r ، والإزاحة d ، وسرعة دوران المرآة ω ، إلا أن ميكلسون بذل جهودًا كبيرة للحد من الأخطاء المنهجية وتطبيق التصحيحات اللازمة ، نظرًا لمحدودية تقنيات القياس في ذلك الوقت . فعلى سبيل المثال، استخدم شريط قياس فولاذيًا بطول 100 قدم، وكان ينوي قياس المسافة عشرات المرات، لكنه قاس طوله بمقارنته بنسخة من الياردة القياسية الرسمية، فوجد أنه 100.006 قدم، وبذلك أزال خطأً منهجيًا، وإن كان طفيفًا. 

إلى جانب الجهود المبذولة لتقليل الأخطاء المنهجية قدر الإمكان، أُجريت قياسات متكررة على مستويات متعددة للحصول على نتائج أكثر دقة. وكما أشار آر جيه  ماكاي وآر دبليو  أولدفورد في مقالتهما ^{[ 28 ]} ، «من الواضح أن ميكلسون أدرك أهمية المتوسطات في تقليل التباين في القياسات»، فمن الواضح أن ميكلسون كان يضع في اعتباره خاصية أن المتوسطات تتباين بشكل أقل، والتي يمكن وصفها رسميًا على النحو التالي: الانحراف المعياري لمتوسط ​​n من المتغيرات العشوائية المستقلة أقل من الانحراف المعياري لمتغير عشوائي واحد بمعامل الجذر التربيعي لـ n . ولتحقيق ذلك، سعى أيضًا إلى جعل كل قياس مستقلًا عن الآخر، وبالتالي تكون هذه القياسات متغيرات عشوائية مستقلة . 

إنّ النموذج الإحصائي للقياسات المتكررة بافتراض الاستقلالية أو التوزيعات المتطابقة غير واقعي. في دراسة سرعة الضوء، يُنظر إلى كل قياس على أنه مجموع الكمية المراد قياسها وخطأ القياس. في حال عدم وجود خطأ منهجي، يمكن نمذجة خطأ قياس سرعة الضوء بعينة عشوائية من توزيع ذي قيمة متوقعة غير معروفة وتباين محدود؛ وبالتالي، تُمثَّل سرعة الضوء بالقيمة المتوقعة لتوزيع النموذج، والهدف النهائي هو تقدير هذه القيمة المتوقعة على مجموعة البيانات المُجمَّعة. ويشير قانون الأعداد الكبيرة إلى تقدير القيمة المتوقعة باستخدام متوسط ​​العينة. ^{[ 29 ]}

في عام ١٨٨٧، تعاون مع زميله إدوارد ويليامز مورلي من جامعة ويسترن ريزيرف، التي أصبحت الآن جزءًا من جامعة كيس ويسترن ريزيرف ، في تجربة ميكلسون-مورلي . أسفرت تجربتهما، التي هدفت إلى قياس الحركة المتوقعة للأرض بالنسبة للأثير ، وهو الوسط الافتراضي الذي يُفترض أن ينتقل فيه الضوء، عن نتيجة سلبية . أثار هذا الأمر دهشة ميكلسون، فكرر التجربة بدقة متزايدة على مدى السنوات التالية، لكنه ظل عاجزًا عن قياس الأثير. كان لنتائج تجربة ميكلسون-مورلي تأثير بالغ في أوساط الفيزياء، ما دفع هندريك لورنتز إلى وضع معادلات لورنتز للانكماش، التي باتت شهيرة، كوسيلة لتفسير النتيجة السلبية.

ثار جدل تاريخي حول ما إذا كان ألبرت أينشتاين على دراية بنتائج تجربة ميكلسون-مورلي عندما وضع نظريته النسبية الخاصة ، التي خلصت إلى أن الأثير "غير ضروري". وفي مقابلة لاحقة، قال أينشتاين عن تجربة ميكلسون-مورلي: "لم أكن مدركًا أنها أثرت عليّ بشكل مباشر  ... أعتقد أنني اعتبرتها أمرًا مفروغًا منه". ^{[ 30 ]} وبغض النظر عن معرفة أينشتاين الدقيقة، تُعتبر التجربة اليوم التجربة المرجعية في إثبات عدم وجود أثير قابل للكشف. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

سمحت دقة معداتهم لميكلسون ومورلي بأن يكونا أول من حصل على قيم دقيقة للبنية الدقيقة في خطوط الطيف الذري ^{[ 33 ]} والتي قدم لها أرنولد سومرفيلد في عام 1916 تفسيراً نظرياً، حيث قدم ثابت البنية الدقيقة .

في عام ١٩٢٠، أجرى مايكلسون وفرانسيس جي. بيس أول قياس لقطر نجم غير الشمس. كان مايكلسون قد اخترع التداخل الفلكي ، وبنى جهازًا من هذا النوع في مرصد جبل ويلسون، استُخدم لقياس قطر العملاق الأحمر منكب الجوزاء . استُخدم نظام منظار لتوجيه الضوء من بؤبؤين فرعيين، يفصل بينهما مسافة تصل إلى ٦ أمتار، إلى البؤبؤ الرئيسي لتلسكوب هوكر ذي العدسة العينية بقطر ٢.٥ متر ، مما أنتج أهداب تداخل رُصدت من خلال العدسة. بعد ذلك، استحوذ قياس أقطار النجوم والمسافات بين النجوم الثنائية على جزء متزايد من حياة مايكلسون.

في سبعينيات القرن العشرين، أُعيد إحياء علم التداخل الفلكي، حيث كانت التكوينات التي تستخدم فتحتين (أو أكثر) منفصلتين (بأقطار صغيرة مقارنة بالمسافة بينهما) تُعرف غالبًا باسم "التداخل النجمي لمايكلسون". وكان الهدف من ذلك تمييزه عن تداخل البقع ، ولكن لا ينبغي الخلط بينه وبين مقياس تداخل مايكلسون، وهو أحد تكوينات مقاييس التداخل المختبرية الشائعة ، والذي كان مقياس التداخل المستخدم في تجربة مايكلسون-مورلي مثالًا عليه. ويُستخدم مفهوم مايكلسون، القائم على تداخل الضوء من فتحتين صغيرتين نسبيًا تفصل بينهما مسافة كبيرة (لكن هذه المسافة، أو خط الأساس ، غالبًا ما تصل الآن إلى مئات الأمتار)، في المراصد التشغيلية الحديثة مثل VLTI و CHARA و NPOI التابعة للبحرية الأمريكية .

تُكتشف موجات الجاذبية  باستخدام مقياس تداخل مايكلسون مع مصدر ضوء ليزري. في عام 2020، كان هناك ثلاثة أجهزة كشف موجات جاذبية تعمل بتقنية تداخل مايكلسون، ورابع قيد الإنشاء. تتميز هذه المقاييس بأذرع يبلغ طولها 4 كيلومترات، مثبتة بزوايا 90 درجة فيما بينها، حيث يمر الضوء عبر أنابيب مفرغة قطرها متر واحد تمتد على طولها. عند مرور موجة جاذبية، يتمدد أحد الذراعين قليلاً بينما يتقلص الآخر. هذه الحركة تحديدًا هي التي تُعد هذه المقاييس أكثر حساسية لها. حتى عام 2020، رُصدت خمسة عشر حدثًا لموجات الجاذبية باستخدام هذه المقاييس.

• Guide to the Albert A. Michelson Papers 1891–1969Archived September 7, 2019, at the Wayback Machine at the University of Chicago Special Collections Research Center
• USNA Guide to the Albert A. Michelson Collection, 1803–1989
• William Polk Jesse student notebooks, 1919–1921, Niels Bohr Library & Archives (contains notes on the lectures of Albert A. Michelson, including courses taught by Michelson: Mechanics and Wave Motion, Electricity and Magnetism, and Physical Optics)