Albert A. Michelson | Vereniging voor Natuurkunde

1 Intro
Het is vandaag de sterftedag van de Amerikaanse fysicus Albert Abraham Michelson. De dag van vandaag staat hij in de natuurkundige wereld vooral bekend
als de bedenker van het Michelson–Morley experiment (samen met Edward W.
Morley) dat ook weleens bestempeld wordt als ”the most famous failed experiment in history”. Deze merkwaardige titel klinkt nogal ondankbaar maar met
dit tekstje proberen we duidelijk te maken dat dit experiment een cruciale mijlpaal is in de geschiedenis van de fysica en dat Michelson tot een van de grootste
natuurkundigen gerekend mag worden.

Figuur 1: Michelson op verschillende leeftijden. In de linkse foto was hij 42
jaar oud. De rechtse is genomen in 1921, en toont een oudere Michelson op zijn
69ste.

Figuur 2: De eerste pagina van Michelsons paper over zijn experiment ter bepaling van de snelheid van het licht, geschreven toen hij voor de US Navy werkte.

2 Biografie
Michelson werd geboren op 19 december 1852, in het poolse stadje Strzelno,
dat toen deel uitmaakte van het koninkrijk Pruisen. Op tweejarige leeftijd
emigreerde hij met zijn ouders naar de Verenigde Staten. Hij groeide op in
California en Nevada, waar zijn vader werkte als koopman. Michelson was van
geboorte joods, zijn ouders waren niet praktiserend, maar bleef zijn hele leven
lang agnostisch.

In 1869 mocht hij op aanbeveling van de toenmalige Amerikaanse president
Ulysses S. Grant beginnen aan de US Naval Academy, waar officieren werden
(en nog steeds worden) opgeleid voor de Amerikaanse marine. Daar blonk hij
uit in optica, warmteleer, klimatologie en tekenen. Hij studeerde af in 1873 en
trouwde in 1877 met zijn eerste vrouw, Margaret Hemingway, die hij had leren
kennen in Londen tijdens een van zijn zeereizen als officier. Datzelfde jaar begon
Michelson aan zijn eerste experiment: het meten van de lichtsnelheid. Op dat
moment was dit nog maar drie keer ondernomen met beperkte nauwkeurigheid.
De jonge Michelson zag direct in hoe dat de beperkingen van de methode die
Foucault (misschien heb je al eens gehoord van zijn slinger) had gebruikt in
1862 konden verholpen worden.
Michelson verbeterde dit ontwerp verder en kon zo de lichtsnelheid vastleggen
op 299.895 km per seconde met een nauwkeurigheid van 0.01 %! Dit leverde
hem zoveel internationale bekendheid op dat zelfs de New York Times erover
berichtte. Hij bleef heel zijn leven bezig met het verbeteren van dit resultaat

Figuur 3: Einstein and the gang. Links van Einstein staat Michelson. De
persoon helemaal rechts is een andere bekende Amerikaanse fysicus, Robert
Andrews Millikan, die de Nobelprijs voor Natuurkunde van 1923 kreeg.
door het verfijnen van zijn opstelling en legde de waarde vier jaar voor zijn dood
vast op 299,796 km/s, heel dicht bij de huidige waarde van 299.792 km/s!

Het andere hoogtepunt van zijn leven was zijn samenwerking met Edward Morley aan het naar hen vernoemde en beroemde Michelson–Morley experiment
in 1887. Licht werd sinds het begin van de 19de eeuw aanzien als golf omdat
het dezelfde eigenschappen als geluidsgolven vertoonde, zoals interferentie en
diffractie. De analogie met geluid, dat de trilling van luchtmoleculen is, wierp
echter de vraag op wat er trilde in het geval van licht. Hiertoe onstond de Ethertheorie die postuleerde dat de hele ruimte gevuld was met een medium, Ether
genaamd, dat de voortplanting van licht toeliet. Om deze theorie te bevestigen
wilden Michelson en Morley experimenteel de Ether-wind meten (deze wind is
analoog aan de wind die je voelt als een vrachtwagen vlakbij passeert). Dit
konden ze doen door de snelheid van het licht te bepalen gedurende het jaar,
waarbij de Ether-theorie de voorspelling deed dat deze zou variëren doordat de
aarde een draaibeweging maakt in haar baan. Tot ieders grote teleurstelling
vonden ze echter geen enkel verschil in de snelheid van het licht. In plaats van
het leveren van experimenteel bewijs voor de Ether theorie gaven de resultaten
aan dat de Ether juist niet bestond! Uiteindelijk toonde Einstein met zijn speciale relativiteitstheorie uit 1905 aan dat de Ether volledig overbodig is om de
voortplanting van het licht te verklaren. Einstein omschreef het belang van het
Michelson-Morley experiment als volgt, ”If the Michelson–Morley experiment
had not brought us into serious embarrassment, no one would have regarded
the relativity theory as a (halfway) redemption.”.

De eigenlijke opstelling van het experiment maakte gebruik van de door Michelson zelf uitgevonden interferometer. Het bestaat uit een halfdoorlatende spiegel
die een lichtstraal in tweeën splitst waarna de twee lichtbundels een verschillende
weg doorlopen alvorens weer samen te komen en te interfereren. Hiermee kunnen
minieme weglengteverschillen van het licht gemeten worden. Voor een complete
uitleg over de opstelling van het experiment verwijs ik jullie met veel enthousiasme door naar de wikipedia pagina (https://en.wikipedia.org/wiki/MichelsonMorley experiment) waar dit experiment in al zijn glorie uit de doeken wordt
gedaan. Tot op vandaag wordt het concept van de interferometer nog gebruikt,
zoals in 2015 voor de eerste directe waarneming van zwaartekrachtgolven. Deze
waarneming bevestigde een belangrijke voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie wat betreft de kromming van de ruimtetijd door het samensmelten van twee extreem zware objecten (zoals zwarte gaten).

Michelson en Morley maakten van de gelegenheid gebruik om met hun nauwkeurige meetinstrumenten de fijnstructuurconstante, die de sterkte van het elektromagnetisme bepaalt, voor de eerste keer te bepalen. Hierna gebruikte Michelson zijn interferometer voor het nog nauwkeuriger bepalen van de lichtsnelheid.
Hiermee wilde hij het mogelijk maken om de lichtsnelheid te gebruiken als de
basis voor de eenheid van lengte. Dit is effectief ook gebeurd in 1960, toen
werd besloten dat 1 meter de afstand is dat licht aflegt in het vacuum in precies 1/299792458 seconden. In 1892 richtte hij de afdeling fysica op aan de
universiteit van Chicago, waar hij de rest van leven bleef werken. Daar stelde
hij Robert A. Millikan, een andere beroemde fysicus die later de Nobelprijs zou
krijgen voor zijn onderzoek naar de lading van elektronen en het foto-elektrische
effect, aan als medewerker in zijn lab. De twee vormden een vriendschap die
heel hun leven bleef.

Uiteindelijk werd Michelson in 1907 als eerste Amerikaan geëerd met een Nobelprijs voor zijn bijdragen aan de fysica, meer bepaald voor zijn nauwkeurige
metingen van de lichtsnelheid. In zijn latere leven hield hij zich vooral bezig
met spectroscopie en geofysica. In 1920 ondernamen hij en Francis G. Pease
de eerste poging om de diameter van een andere ster dan de zon te meten. De
interferometrie die hij hiervoor gebruikte vormt de basis voor een belangrijk deel
van de astronomie de dag van vandaag. Het jaar daarop werd hij uitgenodigd op
de derde Solvay Conferentie in Brussel, waar de belangrijkste natuurkundigen
tesamen kwamen om over een bepaald onderwerp in de fysica na te denken.
Amper tien dagen voor zijn dood schreef hij de inleiding voor een paper waarin
hij zijn meest recent bekomen waarden bijstelde omdat de experimentele fout
was overschat. Deze laatste publicatie droeg exact dezelfde titel als zijn allereerste: ”On a Method of Measuring the Velocity of Light.”. Hij overleed op 9 mei
1931, 78 jaar oud, in Pasadena, California als één van de meest gerespecteerde
fysici in de wereld.

Figuur 4: Alle deelnemers van de derde Solvay conferentie in 1921. Op de
foto zijn heel wat belangrijke fysici, zowel experimentele als theoretische, te
zien waaronder Lorentz, Bragg, de Broglie, Rutherford, Onnes, Millikan en de
enige vrouw in het gezelschap, Marie Curie. Michelson, die helemaal links zit,
vervolledigt dit illustere gezelschap.

3 Slotwoord
In de wetenschappelijke wereld wordt Michelson herinnerd als een briljante experimentele fysicus, die door zijn heldere opstellingen heel nauwkeurige metingen
kon doen. In een tijdperk waar zowel de natuurkunde als technologie grote
stappen vooruit maakte, had hij de zeldzame gave om ingewikkelde theorieën
te begrijpen, de relevante experimenten te bedenken en uit te voeren.
De zeer preciese bepaling van de lichtsnelheid en het Michelson-Morley experiment vormen zijn belangrijkste bijdrage aan de fysica. Voor dit eerste kreeg
hij de Nobelprijs voor Natuurkunde terwijl zijn tweede bijdrage natuurkundigen aanzette tot nieuwe inzichten, zoals de speciale relativiteitstheorie. Deze
nieuwe ideeën zouden uiteindelijk leiden tot een ware wetenschappelijke revolutie. Alhoewel de meeste van Michelsons technieken en experimenten voorbij
gestreefd zijn, blijft vooral zijn onuitputtelijke toewijding aan de wetenschappelijke methode en zijn streven voor de hoogst mogelijke nauwkeurigheid ons
bij.

Bronnen:

door Daan Maertens