Роберт Шервуд Шэнкленд: Физик және тарихшы өмірі мен еңбектері

Кіріспе

Американдық физик және тарихшы Роберт Шервуд Шенкленд (11 қаңтар 1908 – 1 наурыз 1982) – американдық физик және тарихшы.

Өмірбаян

Роберт С. Шенкленд 1925–1929 жылдары Кейс қолданбалы ғылымдар мектебінде бакалавр болып оқыды және 1933 жылы магистр дәрежесін алды. 1935 жылы Чикаго университетінде Артур Комптонмен бірге фотондардың шашырауы жөніндегі жұмысы үшін PhD дәрежесін қорғады. Оның басқа зерттеулері 1929–1930 жылдардағы ионосфера және стандартты жиіліктер регламенті бойынша АҚШ Ұлттық стандарттар бюросындағы жұмысын, сондай-ақ Екінші дүниежүзілік соғыстың басында Англияда суасты кемелеріне қарсы сонарды зерттеуді қамтыды. Шенклендтің Альберт А. Микельсонның Ирвин ранчосындағы тәжірибелері туралы есебі 1953 жылы жарияланды. Британдық Nature журналында Шенкленд 1905 жылы Эйнштейннің Микельсон-Морли тәжірибесінен арнайы салыстырмалылық теориясының алғашқы екі принципін қалай тұжырымдағаны туралы тарихи ақпарат келтірді. Шенкленд Микельсон-Морли тәжірибесіне қатысты қабылданған тікелей түсіндірменің Эйнштейннің 1905 жылғы арнайы салыстырмалылық теориясымен берілгенін сенді. Шенкленд Микельсонның Санта-Анаға сапары эфир ғылымын зерттеу мақсатында болғанын айтты. Аспирантураны бітіргеннен кейін Кейс қолданбалы ғылымдар мектебінің оқытушылық құрамына қосылды. 1941 жылы ол Дейтон С. Миллерден кейін Кейстегі физика профессоры Амброз Суэзи лауазымын иеленді және 1976 жылы зейнеткерлікке шыққанға дейін осы қызметте болды. Шенкленд 1953–1969 жылдары Аргонн ұлттық зертханасында нейтрино тәжірибелерімен айналысты, сонымен қатар салыстырмалылық теориясының тарихы және сәулет акустикасы сияқты басқа да қызығушылықтары болды. Ол Кливленд оркестрінің директоры Джордж Сзеллмен бірлесіп, Северанс-холлдың акустикасын жақсартты, бұл музыканттарға сахнада бір-бірін анық естуге мүмкіндік берді. Шенклендтің әкесі Фрэнк Норт Шенкленд «Қазіргі заманғы романтика» және құстар мен жануарлар туралы бірнеше кітаптың авторы болды. 1929 жылы Шенкленд Хилда Кэтрин Киннессонға үйленді. Олардың бес баласы болды: Рут Эллен, Дороти Маргарет, Лоис Вирджиния, Ава Гертруд және Шервуд Джин, сондай-ақ 14 немересі бар еді. 1970 жылы Хилда қайтыс болды, ал ол Элеонора Ньюлинге үйленді. Шенкленд сергек және белсенді өмір салтын ұстанды, сонымен қатар темір тұзақтар мен американдық индейстердің қолданбалы өнерінің коллекционері болды.

Robert S. Shankland was an undergraduate at the Case School for Applied Sciences from 1925–1929 and received his master's degree in 1933. He completed his Ph. D. degree in 1935 for work on photon scattering with Arthur Compton at the University of Chicago. His other research included work on the ionosphere and standard frequency regulations from 1929–1930 with the US National Bureau of Standards, and worked in England on sonar for submarine warfare early in World War II. Shankland's report on the Albert A. Michelson's Irvine Ranch experiments was published in 1953. In the British journal Nature, Shankland gave the historical background of how Einstein formulates the first two principles, in 1905, of the special theory of relativity from the Michelson–Morley experiment. Shankland believed that the accepted direct explanation for the Michelson–Morley experiment is provided by the special theory of relativity given by Einstein in 1905. Shankland recorded that Michelson's Santa Ana trip was to look at the science of the aether. After completing graduate studies he joined the faculty at Case School for Applied Sciences. In 1941 he succeeded Dayton C. Miller as the Ambrose Swasey Professor of Physics at Case, a position he held until his retirement in 1976. Shankland worked on neutrino experiments with Argonne National Laboratory from 1953–1969, and had other interests including the history of relativity and architectural acoustics. He collaborated with George Szell, the director of the Cleveland Orchestra, to improve the acoustics of Severance Hall, making it easier for musicians to hear each other on the stage. Shankland's father, Frank North Shankland, was the author of "Modern Romances" and several books on birds and animals. In 1929 Shankland married Hilda Catherine Kinneson. They had five children: Ruth Ellen, Dorothy Margaret, Lois Virginia, Ava Gertrude, and Sherwood Jean, and 14 grandchildren. Hilda died in 1970 and he married Eleanor Newlin. Shankland was a passionate outdoorsman and a knowledgeable collector of iron animal traps and Native American artifacts.

Миллер экспериментінің талдауы

1952 жылдан бастап Шанкленд Дейтон Миллердің интерферометриялық нәтижелерін талдаған топты басқарды және Миллердің хабарлаған оң эфирлік дрейфінің ықтимал жылулық құбылыстарға байланысты болғанын, ал оны ескергенде нәтижелер арнайы салыстырмалылық теориясымен сәйкес келетінін тұжырымдады. Шанклендтің түсіндірмесі қазіргі кездегі көптеген ғалымдар тарапынан қабылданады. 1925–1926 жылдары Дейтон Миллер Микельсон-Морли тәжірибесіне ұқсас, Вильсон тауында интерферометриялық байқаулар жүргізді, ол жарық таратушы эфир арқылы Жердің өлшенетін дрейфін көрсеткендей болды, бұл басқа да осы типтегі тәжірибелермен және салыстырмалылық теориясының эфирдің байқала алмайтыны туралы болжамымен қайшы келеді. 1955 жылы Шанкленд Миллердің деректерін талдап, «Миллер тапқан шағын, периодтық шеттік орын ауыстырулар, өте қиын тәжірибеде шеттік позициялардың оқуларындағы статистикалық құбылыстарға байланысты» және «қалған жүйелі әсерлер жергілікті температуралық жағдайларға байланысты» деген пікір білдірді. Сонымен қатар, ол әсерге жауапты жылу градиенттерінің «Вилсон тауында, Миллердің өзінің Кливлендтегі Кейс қаласындағы жұмысында кездескендерге қарағанда, әлдеқайда қиын болғанын» айтты. 1973 жылғы салыстырмалылық теориясының тәжірибелік дамуына арналған шолу мақаласында Шанкленд Эйнштейннің 1954 жылғы 31 тамыздағы хатын қосты, онда Эйнштейн оның талдауымен келісетіні айтылған. (Шанкленд Эйнштейнге жарияланудан бұрын қолжазба жіберген болатын.) Эйнштейн былай деп жазды:

Миллер тәжірибелері туралы жіберген мұқият зерттеуіңіз үшін үлкен рахмет айтамын. Осылай мұқият жүргізілген тәжірибелер, әрине, өте мұқият статистикалық зерттеуді қажет етеді. Бұл сондай-ақ, тривиалды емес оң әсердің болуы қазіргі кезде қабылданған теориялық физиканың негіздеріне терең әсер ететінін ескере отырып, маңызды. Сіз байқалған әсердің кездейсоқ ауытқулар шегінен тыс екенін және демек, жүйелі себебі болуы керектігін нақты көрсеттіңіз. Сіз бұл жүйелі себептің «эфирлік желмен» ешқандай қатысы жоқ екенін, бірақ екі сәуле шоғы арқылы өтетін ауаның температуралық айырмашылығымен байланысты екенін сенімді түрде көрсеттіңіз. Егер зертхана бөлмесінің қабырғаларының температурасында елеусіз айырмашылық болса, мұндай әсер іс жүзінде болмай қалады. Бұл жүйелі қателердің аппараттың өлшемдерімен бірге тез өсетін жағдайларының бірі. Шанклендтің қайта талдауында эфирдің бар екендігіне статистикалық маңызы бар сигнал табылған жоқ. Талдау негізгі физиктер тарапынан қабылданады, эфир тұжырымының тасталуы дерлік жалпыға тараған, ал Миллердің байқаған сигналы экспериментшінің пікір қабілетінің нәтижесі деп есептеледі; Миллердің 1933 жылы байқаған «сигналы» шын мәнінде әрқайсысы бірнеше жүз өлшемнің орташасынан тұратын нүктелерден тұрады, ал сигналдың шамасы өлшемдер тіркелген ажыратымдылықтан 10 еседен астам кіші. Морис Алле және Джеймс ДеМео Шанклендтің дәлелін қабылдамаса да, Миллер тәжірибесі салыстырмалылық теориясын жарамсыз етеді деп санайды, Эйнштейннің теориясы бүгінде көптеген физиктер тарапынан дәлелденген деп есептеледі, бұл негізінен Миллердің өлшемдерінің қазіргі заманғы оптикалық технологияны қолдана отырып көптеген тәуелсіз зерттеушілер жасаған өте дәл қайталануына негізделген, олар Миллердің хабарлаған оң сигналының жалған екенін нақты көрсетті. Миллердің деректері және Шанклендтің талдауы қазір тек тарихи қызығушылық тудырады.

I thank you very much for sending me your careful study about the Miller experiments. Those experiments, conducted with so much care, merit, of course, a very careful statistical investigation. This is more so as the existence of a not trivial positive effect would affect very deeply the fundament of theoretical physics as it is presently accepted. You have shown convincingly that the observed effect is outside the range of accidental deviations and must, therefore, have a systematic cause. You made it quite probable that this systematic cause has nothing to do with "ether wind," but has to do with differences of temperature of the air traversed by the two light bundles which produced the bands of interference. Such an effect is indeed practically inevitable if the walls of the laboratory room have a not negligible difference in temperature. It is one of the cases where the systematic errors are increasing quickly with the dimension of the apparatus. In Shankland's re analysis, no statistically significant signal for the existence of aether was found. The analysis is accepted by mainstream physicists, the abandonment of the concept of the aether is nearly universal, and Miller's observed signal is believed the result of experimenter's bias; the "signal" that Miller observed in 1933 is actually composed of points that are an average of several hundred measurements each, and the magnitude of the signal is more than 10 times smaller than the resolution with which the measurements were recorded. Though Maurice Allais and James DeMeo do not accept Shankland's refutation and hold to the belief that Miller's experiment invalidates the theory of relativity, Einstein's theory is today regarded by most physicists as proven, based largely on the vastly more accurate repetitions of Miller's measurements made using modern optical technology by numerous independent researchers that have shown conclusively that Miller's reported positive signal was spurious. Miller's data, and Shankland's analysis of it, are now of only historical interest.

Қосымша: Шэнклендтің басылымдарының ішінара тізімі

Р. С. Шенкленд, "Шашырау теориясының фотондық түсіндірілісінің күмәнділігі", Phys. Rev. 49, 8–13 (1936). Р. С. Шенкленд, Дж. В. Колтман, "Тербелгіш сымдардың гармоникалық қатардан ауытқуы", J. Acoust. Soc. Am. 10 (3), 161–166 (1939). Р. С. Шенкленд, "Гармоникалық анализатор арқылы импульстарды талдау", J. Acoust. Soc. Am. 12 (3), 383–386 (1941). Е. В. Сэмюэл, Р. С. Шенкленд, "Страубель X кесіміндегі кристалдың дыбыс өрісі", J. Acoust. Soc. Am. 22 (5), 589–592 (1950). Р. С. Шенкленд, С. В. Маккаски, Ф. С. Леоне және Г. Куэрти, "Дейтон К. Миллердің интерферометриялық байқауларының жаңа талдауы", Rev. Mod. Phys. 27, 167–178 (1955). Х. Ж. Орместад, Р. С. Шенкленд, А. Х. Бенаде, "Северенс залының резонанс уақытының сипаттамалары", J. Acoust. Soc. Am. 32 (3), 371–375 (1960). Р. С. Шенкленд, Атомдық және ядролық физика (Macmillan: New York, 1960). Р. С. Шенкленд, "Мишельсон-Морли эксперименті", Am. J. Phys. 32 (1), 16–35 (1964). Р. С. Шенкленд, "Резонанстың сапасы", J. Acoust. Soc. Am. 43 (3), 426–430 (1968). Р. С. Шенкленд, ред., Артур Холли Комптонның ғылыми еңбектері (University of Chicago Press: Chicago, 1973). Р. С. Шенкленд, "Мишельсонның салыстырмалылық теориясының дамуындағы рөлі", Applied Optics 12 (10), 2280 (1973). Р. С. Шенкленд, "Эйнштейнмен әңгімелер", American Journal of Physics 41 (7), 895–901 (1973). Р. С. Шенкленд, "Грек театрларының акустикасы", Physics Today 26 (10), 30 (1973). Р. С. Шенкленд, "Мишельсон және оның интерферометрі", Physics Today 27 (4), 37 (1974). Р. С. Шенкленд, "Мишельсон: ғылымдағы алғашқы американдық Нобель жүлдесінің иегері", Bulletin of the American Physical Society 21 (4), 601–602 (1976). Р. С. Шенкленд, "Америкадағы архитектуралық акустика, 1930 жылға дейін", J. Acoust. Soc. Am. 61 (2), 250–254 (1977). Р. С. Шенкленд, "Өнерпаздар үшін акустикалық жобалау", J. Acoust. Soc. Am. 65 (1), 140–144 (1979). Р. С. Шенкленд, "Эйнштейн, Альберт – Еске алу", Biography — An Interdisciplinary Quarterly 2 (3), 190–200 (1979).

R. S. Shankland, "An apparent failure of the photon theory of scattering," Phys. Rev. 49, 8–13 (1936). R. S. Shankland, J. W. Coltman, "Departure of overtones of vibrating wire from true harmonic series," J. Acoust. Soc. Am. 10 (3), 161–166 (1939). R. S. Shankland, "Analysis of pulses by means of harmonic analyzer," J. Acoust. Soc. Am. 12 (3), 383–386 (1941). E. W. Samuel, R. S. Shankland, "Sound field of Straubel X cut crystal," J. Acoust. Soc. Am. 22 (5), 589–592 (1950). R. S. Shankland, S. W. McCuskey, F. C. Leone, and G. Kuerti, "New analysis of the interferometric observations of Dayton C. Miller," Rev. Mod. Phys. 27, 167–178 (1955). H. J. Ormestad, R. S. Shankland, A. H. Benade, "Reverberation time characteristics of Severance Hall," J. Acoust. Soc. Am. 32 (3), 371–375 (1960). R. S. Shankland, Atomic and Nuclear Physics (Macmillan: New York, 1960). R. S. Shankland, "Michelson Morley experiment," Am. J. Phys. 32 (1), 16–35 (1964). R. S. Shankland, "Quality of reverberation," J. Acoust. Soc. Am. 43 (3), 426–430 (1968). R. S. Shankland, ed., Scientific Papers of Arthur Holly Compton, (University of Chicago Press: Chicago, 1973). R. S. Shankland, "Michelson's role in the development of relativity," Applied Optics 12 (10), 2280 (1973). R. S. Shankland, "Conversations with Einstein," American Journal of Physics 41 (7), 895–901 (1973). R. S. Shankland, "Acoustics of Greek theaters," Physics Today 26 (10), 30 (1973). R. S. Shankland, "Michelson and his interferometer," Physics Today 27 (4), 37 (1974)
R. S. Shankland, "Michelson: America's first Nobel prize winner in science," Bulletin of the American Physical Society 21 (4), 601–602 (1976). R. S. Shankland, "Architectural Acoustics in America to 1930," J. Acoust. Soc. Am. 61 (2), 250–254 (1977). R. S. Shankland, "Acoustical designing for performers," J. Acoust. Soc. Am. 65 (1), 140–144 (1979). R. S. Shankland, "Einstein, Albert — In Remembrance," Biography — An Interdisciplinary Quarterly 2 (3), 190–200 (1979)