Albert Michelson - mistrz pomiarów i artysta w świecie doświadczeń naukowych

Opracowanie: Maria Pawłowska

Rodzina i pierwsze lata życia

Albert Abraham Michelson urodził się 19 grudnia 1852 roku w Strzelnie, polskim miasteczku znajdującym się wówczas pod zaborem pruskim, w żydowskiej rodzinie Samuela Michelsona i Rozalii, z domu Przyłubskiej. Ojciec był właścicielem sklepu bławatnego, a matka córką miejscowego lekarza. Pogarszająca się sytuacja ekonomiczna, prześladowania zaborców, może także brak akceptacji gminy żydowskiej spowodowały, że w 1855 roku rodzina postanowiła wyemigrować do Ameryki. Zamieszkali z kalifornijskimi poszukiwaczami złota w Murphy’s Camp w hrabstwie Calaveras, gdzie ojciec Alberta otworzył sklep z narzędziami górniczymi. Początkowo chłopiec uczył się w domu, pod okiem matki. Wtedy też jeden z górników nauczył go gry na skrzypcach i zaszczepił zamiłowanie do muzyki. Gdy Albert skończył dwanaście lat, wyjechał do San Francisco, gdzie kontynuował naukę. Opiekę nad nim sprawował wówczas Teodor Bradley, który odkrył jego wybitne zdolności i zachęcał do nauki fizyki, mobilizował do gry na skrzypcach. Albert był typem samotnika i dzieckiem bardzo wrażliwym, więc Bradley nauczył go podstaw boksu.

Rodziców Alberta nie stać było na opłacenie studiów, więc tylko szkoła wojskowa dawała mu szansę na zdobycie wykształcenia i bezpłatną naukę. Pomyślnie zdany egzamin nie otworzył mu jednak bram uczelni. Dzięki specjalnej, „jedenastej nominacji” otrzymanej dzięki prezydentowi Stanów Zjednoczonych, siedemnastoletni Albert został kadetem w Akademii Marynarki Wojennej w Annapolis. Na wyróżnienie zasługiwały jego osiągnięcia w matematyce i naukach przyrodniczych. Podczas studiów mógł doskonalić swoje umiejętności bokserskie (był mistrzem uczelni w tej dyscyplinie), pobierał lekcje szermierki i tańca, próbował sił w malarstwie, zachwycał grą na skrzypcach, był mistrzem bilardu, doskonale grał w tenisa (ten sport uprawiał aż do późnej starości). Studia ukończył w maju 1873 roku.

Kariera zawodowa

Po odbyciu służby na amerykańskich okrętach wojennych uzyskał stopień podporucznika, ale jego kariera wiązała się z pracą naukową i dydaktyczną. Objął stanowisko wykładowcy fizyki i chemii w uczelni, którą ukończył dwa lata wcześniej. Uważał, że będzie to praca dająca wiele wolnego czasu, który poświęci na badania. Jak twierdził, do wykładowcy należy tylko wyprzedzanie kadetów o parę stron podręcznika. Kierujący Wydziałem Filozofii Naturalnej i Eksperymentalnej zasugerował, by Michelson rozpoczął wykłady od zaprezentowania pomiaru prędkości światła w powietrzu metodą Foucaulta. Tak rozpoczęła się przygoda Michelsona z optyką i trwające wiele lat doświadczenia zmierzające do jak najdokładniejszego zmierzenia prędkości światła.

Już w starożytności greccy uczeni, którzy poddawali światło matematycznym badaniom uznali, że rozchodzi się ono z nieskończenie wielką prędkością. W 1676 roku, na podstawie obserwacji zaćmień księżyców Jowisza, duński astronom Ole Rømer wykazał, że światło porusza się ze skończoną prędkością. Pomiary prowadził 170 lat później francuski uczony Armand Fizeau, który ustalił, że prędkość światła wynosi około 315 718,6 km/s, natomiast Jean Bernard Léon  Foucault otrzymał wynik 298 000 km/s. Zbliżoną wartość uzyskał Marie Alfred Cornu. Michelson zainteresował się pomiarami prędkości światła, bo wiedział, że dotychczasowe wyniki są niewystarczające i zawierają błędy. Uważał, że prędkość światła to jedna z najważniejszych wielkości w przyrodzie, której precyzyjne wyznaczenie jest fascynującym zagadnieniem badawczym, a w przyszłości pozwoli rozwiązać wiele istotnych problemów fizyki. Po pierwszych pomiarach opublikował komunikaty opisujące stosowaną metodę, później przedstawił uzyskane wyniki: prędkość światła w powietrzu wynosi 299 740 km/s, a w próżni 299 944 km/s.

Badania naukowe i odkrycia

By pogłębić swoją wiedzę i poszukać nowego źródła natchnienia, Michelson wyjechał do Europy na dalsze studia. W 1880 roku znalazł się w Berlinie, gdzie słuchał wykładów Hermanna Helmholtza i Gustava Kirchhoffa, później odwiedził Heidelberg i Paryż. Zapoznał się wówczas z teorią Maxwella i wynikami doświadczeń Fizeau, które dotyczyły hipotezy częściowego wleczenia eteru. W tym czasie uczeni byli przekonani, że nośnikiem światła jest pewna substancja, o której Maxwell pisał: „Nie ma żadnych wątpliwości, że przestrzeń międzyplanetarna i międzygwiezdna nie jest pusta, lecz wypełnia ją materialna substancja lub ciało, które z pewnością jest największym i zapewne najbardziej jednorodnym ciałem, jakie znamy.” (Kardaś T., Od początku było światło…, s. 141). Tą substancją miał być eter. Najpierw w laboratorium Helmholtza, później w poczdamskim obserwatorium, Michelson przeprowadził pierwsze próby wykrycia ruchu Ziemi względem eteru. Do tych badań zaprojektował precyzyjne urządzenie, tzw. interferometr. Wbrew przypuszczeniom, nie udało się wykryć wpływu eteru w propagowaniu się światła w jakimkolwiek kierunku. W publikacji „Względny ruch Ziemi i eteru świetlnego” uczony zamieścił następujący wniosek: hipoteza spoczywającego eteru jest błędna!

Po powrocie do Ameryki Michelson otrzymał etat w Cleveland w Case School of Applied Science, gdzie zorganizował Instytut Fizyki. Wciąż prowadził badania prędkości światła, a osiągnięty przez niego wynik (298 413 km/s) potraktowany został jako wzorcowy. Pomiary potwierdziły również tezę, że prędkość światła w powietrzu jest jednakowa dla wszystkich barw. Nie dawały mu jednak spokoju wyniki uzyskane podczas nieudanego eksperymentu berlińsko-poczdamskiego. W 1887 roku z profesorem chemii Edwardem Morleyem przeprowadził słynny eksperyment, zwany współcześnie doświadczeniem Michelsona-Morleya. Za pomocą precyzyjniejszego interferometru uczeni postanowili wykryć wiatr eteru spowodowany orbitalnym ruchem Ziemi wokół Słońca. Negatywny wynik tego doświadczenia możliwy był do wyjaśnienia dopiero w 1905 roku, dzięki sformułowanej przez Alberta Einsteina szczególnej teorii względności.

Od 1889 Michelson pracował na Uniwersytecie Clarka w Worcester. Równocześnie prowadził pomiary w Harvard Observatory, gdzie za pomocą zaprojektowanego przez siebie interferometru gwiazdowego zmierzył średnice czterech galileuszowych księżyców Jowisza. W Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Paryżu zajął się uniwersalnym zdefiniowaniem przechowywanego tam wzorca metra. Kierował budową i wyposażaniem laboratorium fizycznego w nowo tworzonym Uniwersytecie w Chicago. Po powrocie z Europy właśnie tam podjął pracę, wiążąc się z tą uczelnią na wiele lat. Jego badania dotyczyły wówczas rozszczepiania linii widmowych, z czym wiązała się budowa superprecyzyjnych urządzeń do tworzenia siatek dyfrakcyjnych. W 1903 roku ukazała się drukiem pierwsza książka naukowa Michelsona: „Light waves and their uses” (Fale świetlne i ich zastosowania). W 1904 na Wystawie Światowej w Paryżu zaprezentowane zostały urządzenia zaprojektowane przez Michelsona: interferometr, spektroskop i nowy analizator harmoniczny. To ostatnie jest swego rodzaju komputerem analogowym, służącym do analizy fourierowskiej złożonych drgań periodycznych. Wykorzystuje się go do analizy dźwięków, badania zmienności prądów elektrycznych, fluktuacji pływów morskich, a nawet do prognozowania pogody.

12 grudnia 1907 roku Michelson odebrał w Sztokholmie nagrodę Nobla. Medal i dyplom, na którym zapisano: „Albertowi A. Michelsonowi za jego precyzyjne przyrządy optyczne oraz spektroskopowe i metrologiczne badania prowadzone z ich pomocą”, wręczył uczonemu następca tronu szwedzkiego. Michelson odbierał zasłużone gratulacje, podkreślano, że jest pierwszym amerykańskim uczonym, który został laureatem naukowego Nobla. Informacje o tym wydarzeniu zamieściły również polskie gazety.

Gdy Ameryka przystąpiła do I wojny światowej Michelson zajął się pracami na rzecz wojska: zaprojektował dalmierz morski, wynalazł przyrząd chroniący słuch podczas strzałów artyleryjskich, badał jakość szkieł stosowanych w przyrządach optycznych.

Po wojnie, za pomocą interferometru i olbrzymich teleskopów zainstalowanych w obserwatorium na Mount Wilson, prowadził kolejne badania astronomiczne. Zmierzył podwójną gwiazdę Capelli, a także kątową średnicę gwiazdy Betelgeuse – czerwonego olbrzyma. Obserwował również plamy na Słońcu i kanały na Marsie, dokonał pierwszego pomiaru sprężystości Ziemi i zauważył proces pełzania, którym charakteryzują się materiały lepko-sprężyste. W latach 20. XX wieku powrócił do pomiarów prędkości światła. Prowadził je między Mount Wilson a San Antonio, testowano tam również aparaturę do badania wpływu ruchu wirowego Ziemi na prędkość światła. Jego marzeniem było wykonanie eksperymentu z wiązkami światła rozchodzącymi się w próżni. Mimo że stan zdrowia nie zawsze pozwalał mu osobiście uczestniczyć w badaniach, bardzo się w nie angażował, doglądając budowy specjalnych turbin próżniowych w Irvine Ranch, a później, kierując pomiarami z własnego łóżka.

Naukowiec, artysta, patriota

Michelson był genialnym naukowcem o artystycznej duszy. Kochał skrzypce, komponował utwory muzyczne (np. kołysankę dla swojej córki), lubił malować. Dużo podróżował, znał wiele wybitnych postaci ze świata nauki, kultury i polityki. Ten czarujący i elegancki mężczyzna był bardzo wymagającym szefem, nawet z najbliższymi współpracownikami nie przechodził na ty. Lubił grać w szachy, brydża i bilard. Do późnej starości można go było spotkać na korcie tenisowym.

Był amerykańskim patriotą. Po zabójstwie prezydenta Abrahama Lincolna przyjął drugie imię – Abraham. Jednak nie zapomniał o swoich polskich korzeniach. We wszystkich dokumentach jako miejsce urodzenia wpisywał Polskę. Córka Michelsona w biografii ojca napisała, że gdy ten dowiedział się, że wśród studentów znajduje się Polak, zaprosił go do siebie i przez kilka lat spotykali się, by pograć w bilard lub tenisa, ale przede wszystkim, by porozmawiać o Polsce.

Michelson był uczonym szczególnie cenionym przez jemu współczesnych. Wiele uczelni przyznało mu honorowe doktoraty i tytuły doktora honoris causa. Był zapraszany na konferencje międzynarodowe (w 1921 roku wziął udział w III Kongresie Solvayowskim w Brukseli, gdzie spotkał wielu wybitnych fizyków tamtych czasów, m.in. Marię Skłodowską-Curie), a jego obecność dodawała splendoru każdej uroczystości. Jego osiągnięcia naukowe, zwłaszcza wyniki doświadczenia Michelsona-Morleya, są wciąż aktualne, a urządzenia pomiarowe, ze słynnym interferometrem na czele, nadal wykorzystuje się w badaniach naukowych, mimo że od ich stworzenia minęło ponad sto lat.

Podczas spotkania fizyków w Pasadenie, na kilka miesięcy przed śmiercią uczonego, Einstein powiedział, zwracając się do Michelsona: „To Pan poprowadził fizyków na nowe drogi i swoją wspaniałą pracą eksperymentalną utorował drogę rozwojowi teorii względności. Odkrył Pan podstępny błąd w ówczesnej teorii eteru. […] Bez pańskich prac ta teoria byłaby dzisiaj zaledwie interesującą spekulacją. To pańskie pomiary pierwsze oparły ją na realnej podstawie.” (Joffe B., Albert Michelson…, s. 132). 

Zmarł 9 maja 1931 roku. Po skromnej uroczystości pogrzebowej jego ciało skremowano a prochy, zgodnie z życzeniem zmarłego, rozsypano. Amerykańskie i europejskie towarzystwa naukowe, których Michelson był członkiem, oddały mu hołd, fundując medale, tablice pamiątkowe i organizując okolicznościowe konferencje. W styczniu 1932 roku polscy słuchacze mogli wysłuchać audycji radiowej, w której prof. Konstanty Zakrzewski z Uniwersytetu Jagiellońskiego, wygłosił odczyt „Znakomity fizyk Albert Michelson i jego odkrycia”. 17 lat po śmierci uczonego w Akademii Morskiej w Inyokern otwarto laboratorium jego imienia. W jednym z pomieszczeń zorganizowano muzeum, gdzie znalazły się ocalałe przyrządy, oryginalne prace uczonego i przyznane mu medale. Tytaniczna praca Michelsona stała się kanwą spektaklu teatralnego wystawionego w operze chicagowskiej, a historia dostania się Alberta do szkoły wojskowej zainspirowała twórców popularnego w latach 60. XX wieku serialu „Bonanza” (odcinek „Look to the Stars”). By upamiętnić nazwisko uczonego wiele organizacji i instytucji ustanowiło nagrody jego imienia. Na szczególne podkreślenie zasługuje zaangażowanie mieszkańców Strzelna, miasta, w którym urodził się uczony, w popularyzowanie postaci Michelsona.

Bibliografia

Chudziński K., Kardaś T., Noblista ze Strzelna, Strzelno 2000.

Jaffe B., Albert Michelson. Dzieje pomiaru prędkości światła, Warszawa 1964.

Kardaś T., Od początku było światło. Rzecz o Albercie Abrahamie Michelsonie, Toruń 2015.

Kurzawa D. (red.), Albert Abraham Michelson, Noblista z Kujaw, Strzelno 2007.

Wertenstein L., Albert Abraham Michelson [w:] „Wszechświat” T. 37 (1931) nr 5/6, s. 155-156.

Mapa