アルバート・A・ミケルソン

アルバート・エイブラハム・ミケルソンは、1852年12月19日、プロイセンのストレリノ（現在のポーランド、ストシェリノ）で、ポーランド系ユダヤ人の家庭に生まれた。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}彼は2歳の時、1855年に両親とともにアメリカ合衆国に移住した。彼はカリフォルニア州のマーフィーズ・キャンプとネバダ州のバージニア・シティという鉱山町で育ち、父親はそこで商人だった。彼の家族は無宗教で、ミケルソン自身も生涯不可知論者だった。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}彼は高校時代をサンフランシスコの叔母、ヘンリエッテ・レヴィ（旧姓ミケルソン）の家で過ごした。ヘンリエッテ・レヴィは作家ハリエット・レーン・レヴィの母親だった。^{[ 12 ]} 彼の妹は小説家のミリアム・ミケルソンだった。

ユリシーズ・S・グラント大統領は1869年にミケルソンを米国海軍兵学校に特別に任命した。^{[ 13 ]}兵学校での士官候補生としての4年間、彼は光学、熱力学、気候学、製図で優秀な成績を収めた。1873年に卒業し、2年間海上勤務した後、1875年に海軍兵学校に戻り、1879年まで物理学と化学の教官を務めた。その後、サイモン・ニューカムと共に働くため、ワシントンの航海暦局（米国海軍天文台の一部）に配属された。 ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}翌年、彼はヨーロッパで研究を続けるために休職し、ドイツのベルリン大学とハイデルベルク大学、フランスのパリのコレージュ・ド・フランスとエコール・ポリテクニークを訪れた。

マイケルソンは科学、特に光速の測定という問題に魅了されていた。アナポリス滞在中、彼は1877年の授業の一環として光速に関する最初の実験を行った。アナポリスでの実験は改良され、1879年には^{[ 17 ]}空気中の光速を測定した。299 864 ± 51キロメートル毎秒であり、真空中の光速を次のように推定した。299,940 km  /s、または186,380 mi/s 。^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}ヨーロッパで2年間研究した後、 1881年に海軍を辞任した。 1883年、オハイオ州クリーブランドのケース応用科学大学の物理学教授に任命され、改良型干渉計の開発に専念した。1887年、エドワード・モーリーと共に有名なマイケルソン・モーリー実験を行ったが、発光エーテルの存在の証拠は検出できなかった。その後、恒星の直径の測定や連星の分離の測定に天体干渉計を使用するようになった。

1890年、マイケルソンはマサチューセッツ州ウースターにあるクラーク大学の教授に就任した。1892年には、新設されたシカゴ大学の物理学科の教授兼初代学科長に任命され、1929年に退職するまでその職を務めた。

ミケルソンは第一次世界大戦終結間際に海軍予備役の少佐として軍務に復帰し、兵器局に勤務した。1919年5月に予備役の司令官に昇進し、第9海軍管区で一時的に現役勤務に復帰した後、1921年9月30日に除隊した。^{[ 2 ]}

ミケルソンは1931年5月9日、カリフォルニア州パサデナで78歳で死去した。^{[ 21 ]}

ミケルソンは生涯を通じて光に魅了されていた。かつて光を研究する理由を尋ねられた際、彼は「とても楽しいから」と答えたと言われている。^{[ 22 ]}

マイケルソンは、1869年という早い時期に、アメリカ海軍の士官として勤務していた頃、改良された光学系とより長い基線を用いて、レオン・フーコーの回転鏡法による光速測定を再現する計画を立て始めた。彼は1878年に、主に即席の装置を用いて予備的な測定を行ったが、ほぼ同時期に、彼の研究は、すでに独自の調査計画を進めていた航海暦局長のサイモン・ニューカムの目に留まった。

ミケルソンの正式な実験は1879年の6月と7月に行われた。彼は海軍兵学校の北側の海壁沿いに機械を収容するための木造の建物を建てた。^{[ 23 ]} ミケルソンは1879年に299,910 ±  50 km/sという結果を発表した 後、ワシントンDCでニューカムの測定を支援するために合流した。こうして、二人の長きにわたる専門的な協力と友情が始まった。

サイモン・ニューカムは 、より十分な資金を得たプロジェクトで、299,860 ±  30 km/sという値を得た 。これは、マイケルソンの値とほぼ一致するぎりぎりの値だった。マイケルソンはその後も測定方法を「改良」し続け、1883年に299,853  ±  60  km/s という測定値を発表した。これは、師であるニューカムの値にかなり近いものだった。

1906年、 EBローザと米国標準局は、斬新な電気的方法を用いて光速を299,781  ±  10 km/sと算出した 。この結果は、当時使用されていた電気標準の精度が低かったために著しく偏っていたことが後に判明したが、この結果をきっかけに、より低い測定値が流行したようである。

1920年から、ミケルソンはマウント・ウィルソン天文台から、約22マイル離れたサンアントニオ山（「オールド・バルディ」）の南稜にある目立つ丘、ルックアウト山を基準線として、決定的な測定を行う計画を立て始めた。

1922年、米国沿岸測地測量局は、最近入手可能になったインバーテープを使用して、基線の綿密な測定を2年間かけて開始した。1924年に基線の長さが確定した後、次の2年間で測定が行われ、公表された値299,796  ±  4  km/sが得られた。^{[ 25 ]}

この測定は有名ではあるものの、多くの問題を抱えていた。中でも大きな問題は、森林火災の煙によって鏡像がぼやけてしまうことだった。また、100万分の1以下の誤差と推定される、綿密に行われた測地測量の作業も、1925年6月29日に発生したサンタバーバラ地震（リヒター・スケールでマグニチュード6.3と推定）による基線シフトによって損なわれた可能性が高い。

現在では有名なマイケルソン・モーリー実験は、同様の光学機器を用いて、同僚のアルバート・アインシュタインの一般相対性理論と特殊相対性理論の検証にも影響を与えた。これらの機器や関連する共同研究には、デイトン・ミラー、ヘンドリック・ローレンツ、ロバート・シャンクランドといった物理学者たちが参加した。

1927年以降は、新しい電気光学装置を用いた光速の新たな測定方法が次々と登場したが、いずれもマイケルソンが1926年に記録した値よりも大幅に低い値であった。

ミケルソンは別の測定を試みましたが、今回は大気の影響による画像の解釈の困難さを避けるため、真空管内で行いました。1929年、彼はフランシス・G・ピース とフレッド・ピアソンと共同で、カリフォルニア州サンタアナ近郊のアーバイン牧場にある直径3フィート、長さ1.6kmの管内で測定を開始しました。 ^{[ 26 ] [ 27 ]}多重反射により光路は5マイルまで延長されました。史上初めて、0.5mm 水銀柱のほぼ完全な真空中で光速が測定されました。ミケルソンは233回の測定シリーズのうち36回しか完了しないまま亡くなり、その後、実験は地質学的不安定性や凝縮の問題に見舞われ、結果が出るまでには時間がかかりました。299 774 ± 11  km/s という値は、当時の電気光学値と一致しており、1935 年に死後発表された。^{[ 27 ]}

1879 年 6 月と 7 月上旬に、マイケルソンはイポリット・フィゾーとレオン・フーコーが開発した実験装置を改良した。実験装置は次のとおりである。光源から発生した光は、固定板上のスリットを通して回転鏡に向けられる。回転鏡は入射光をある角度で反射し、入射光線に垂直な面を持つ別の固定平面鏡が配置されている方向に反射する。光線が戻って固定板に向かって再び反射されるまでに、回転鏡は角度αだけ回転しているはずである (固定鏡と回転鏡の間の距離はDとして記録される)。スリットからの変位が板上で検出され、dを測定する。回転鏡から固定板までの距離は半径rとされ、鏡の 1 秒あたりの回転数はωとして記録される。このようにして、tan(2 α ) = d / r ; Δ t = ( α /2 π )/ ω ;光速はc = 2 D /Δ tとして導出できる。    

一見すると、距離D、半径r、変位d、回転鏡の毎秒回転数ωという 4 つの測定量が関係しているように見えますが、当時の測定技術の限界に基づき、マイケルソンは系統誤差を減らし、後続の補正を適用するために多大な努力を払いました。例えば、彼は長さが 100 フィートとされた鋼鉄製の巻尺を採用し、その距離を数十回測定するつもりでした。それでも、彼は公式の標準ヤードのコピーと比較して長さを測定し、100.006 フィートであることを確認し、わずかではありますが系統誤差を排除しました。 

系統誤差を可能な限り減らす努力とは別に、より正確な結果を得るために、複数のレベルで繰り返し測定が行われた。RJ  MacKay と RW  Oldford が記事^{[ 28 ]}で述べているように、「ミケルソンが測定のばらつきを減らす平均化の力を理解していたことは明らかである」。ミケルソンは、平均値のばらつきが少ないという性質を念頭に置いていたことは明らかであり、これは正式には次のように記述されるべきである。n個の独立した確率変数の平均の標準偏差は、単一の確率変数の標準偏差よりもnの平方根の係数だけ小さい。それを実現するために、彼はまた、各測定値が互いに影響し合わないように、つまり相互に独立した確率変数となるように努めた。 

独立性または同一分布を仮定した反復測定の統計モデルは非現実的です。光速の研究の場合、各測定は関心のある量と測定誤差の合計として扱われます。系統誤差がない場合、光速の測定誤差は、未知の期待値と有限の分散を持つ分布からのランダムサンプルによってモデル化できます。したがって、光速はモデル分布の期待値で表され、最終的な目標は、取得したデータセット上のモデル分布の期待値を推定することです。大数の法則は、サンプル平均によって期待値を推定することを示唆しています。^{[ 29 ]}

1887年、彼はウェスタン・リザーブ大学（現在のケース・ウェスタン・リザーブ大学の一部）の同僚エドワード・ウィリアムズ・モーリーと共同で、マイケルソン・モーリー実験を行った。光が伝わるとされる仮想的な媒体であるエーテルに対する地球の相対運動を測定した彼らの実験は、ゼロという結果に終わった。驚いたマイケルソンは、その後数年にわたり、より高い精度で実験を繰り返したが、エーテルを測定することはできなかった。マイケルソン・モーリー実験の結果は物理学界に多大な影響を与え、ヘンドリック・ローレンツは、ゼロという結果を説明する手段として、現在では有名なローレンツ収縮方程式を考案するに至った。

アルバート・アインシュタインが特殊相対性理論を提唱した際に、エーテルは「不要」であると断言したが、彼がマイケルソン・モーリーの実験結果を知っていたかどうかについては、歴史的に議論が続いている。後のインタビューで、アインシュタインはマイケルソン・モーリーの実験について、「それが直接私に影響を与えたとは意識していなかった …おそらく、それが真実であると当然のこととして受け入れていたのだろう」と述べている。^{[ 30 ]} アインシュタインの具体的な知識の有無に関わらず、この実験は今日、検出可能なエーテルの不在を示す標準的な実験とみなされている。^{[ 31 ] [ 32 ]}

彼らの装置の精度により、マイケルソンとモーリーは原子スペクトル線の微細構造の正確な値を初めて得ることができた^{[ 33 ]。} 1916年にアーノルド・ゾンマーフェルトは微細構造定数を導入し、理論的な説明を与えた。

1920年、マイケルソンとフランシス・G・ピースは、太陽以外の恒星の直径を初めて測定した。マイケルソンは天体干渉計を発明し、マウント・ウィルソン天文台にそのような装置を建造し、赤色巨星ベテルギウスの直径を測定した。最大20フィート（6メートル）離れた2つの副瞳からの光を、100インチ（2.5メートル）フッカー望遠鏡の主瞳に導くために潜望鏡機構が用いられ、接眼レンズを通して観測される干渉縞が生成された。この後、恒星の直径や連星の分離角の測定は、マイケルソンの生涯においてますます多くの時間を費やすようになった。

1970年代から天文学的干渉法が復活し、2つ（またはそれ以上）の独立した開口部（直径は開口部間の距離に比べて小さい）を使用する構成は、「マイケルソン恒星干渉法」と呼ばれることが多かった。これはスペックル干渉法と区別するためであったが、マイケルソン・モーリー実験で使用された干渉計がその一例である、一般的な実験室干渉計構成の1つであるマイケルソン干渉計と混同してはならない。マイケルソンの、かなりの距離（ただし、その距離、つまり基線は現在では数百メートルにも及ぶことが多い）で隔てられた2つの比較的小さな開口部からの光を干渉させるという概念は、 VLTI、CHARA、米国海軍のNPOIなどの現代の運用天文台で採用されている。

重力波は、レーザー光源を備えたマイケルソン干渉計を用いて検出されます。2020年時点で、3基のマイケルソン干渉計重力波検出器が稼働しており、4基目が建設中でした。これらのマイケルソン干渉計は、長さ4キロメートルのアームが互いに90度の角度で配置され、光は 全長にわたって直径1メートルの真空管を通過します。重力波が通過すると、一方のアームがわずかに伸び、もう一方のアームが縮みます。この動きこそが、マイケルソン干渉計が最も感度を持つ動きです。2020年時点で、これらのマイケルソン干渉計を用いて15件の重力波イベントが観測されています。

• アルバート・A・ミケルソン文書ガイド（1891年～1969年）2019年9月7日、シカゴ大学特別コレクション研究センターのWayback Machineにアーカイブ済み
• 米国国立アカデミー（USNA）所蔵アルバート・A・ミケルソン・コレクション（1803年～1989年）ガイド
• ウィリアム・ポーク・ジェシーの学生ノート、1919年～1921年、ニールス・ボーア図書館・アーカイブ（アルバート・A・マイケルソンの講義に関するメモが含まれており、マイケルソンが担当した講義には、力学と波動、電気と磁気、物理光学などがある）