Роберт Шервуд Шэнкленд: Физик и историк науки

Введение

Американский физик и историк Роберт Шервуд Шенкленд (11 января 1908 – 1 марта 1982) был американским физиком и историком.

Биография

Роберт С. Шенкленд был студентом Школы прикладных наук Кейса с 1925 по 1929 год и получил степень магистра в 1933 году. Он завершил получение степени доктора философии в 1935 году за работу по рассеянию фотонов под руководством Артура Комптона в Чикагском университете. Другие его исследования включали работу над ионосферой и стандартами частот с 1929 по 1930 год в Национальном бюро стандартов США, а также работу в Англии над сонаром для борьбы с подводными лодками в начале Второй мировой войны. Отчет Шенкланда об экспериментах Альберта А. Микельсона на ранчо Ирвин был опубликован в 1953 году. В британском журнале Nature Шенкленд представил исторический контекст того, как Эйнштейн сформулировал первые два принципа специальной теории относительности в 1905 году, основываясь на эксперименте Майкельсона-Морли. Шенкленд считал, что общепринятое прямое объяснение эксперимента Майкельсона-Морли даёт специальная теория относительности, предложенная Эйнштейном в 1905 году. Шенкленд отметил, что поездка Микельсона в Санта-Ану была предпринята для изучения науки об эфире. После окончания аспирантуры он присоединился к преподавательскому составу Школы прикладных наук Кейса. В 1941 году он сменил Дейтона С. Миллера на должности профессора физики имени Амброуза Свеси в Кейсе, которую занимал до выхода на пенсию в 1976 году. С 1953 по 1969 год Шенкленд работал над экспериментами с нейтрино в Национальной лаборатории Аргонн, а также интересовался историей теории относительности и архитектурной акустикой. Он сотрудничал с Джорджем Сзеллом, директором Кливлендского оркестра, для улучшения акустики Зала Северанс, облегчив музыкантам возможность слышать друг друга на сцене. Отец Шенкланда, Фрэнк Норт Шенкленд, был автором "Современных романов" и нескольких книг о птицах и животных. В 1929 году Шенкленд женился на Хильде Кэтрин Киннесон. У них было пятеро детей: Рут Эллен, Дороти Маргарет, Лоис Вирджиния, Ава Гертруд и Шервуд Джин, а также 14 внуков. Хильда умерла в 1970 году, и он женился на Элеоноре Ньюлин. Шенкленд был страстным любителем активного отдыха и знатоком, коллекционировавшим железные капканы для животных и артефакты коренных американцев.

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.

Анализ эксперимента Миллера

Начиная с 1952 года, Шенкленд возглавил команду, которая провела анализ интерферометрических результатов Дейтона Миллера и пришла к выводу, что сообщаемый Миллером положительный дрейф эфира, вероятно, был вызван тепловыми флуктуациями, и что, с учетом этого, результаты согласуются со специальной теорией относительности. Объяснение Шенкланда сейчас принято большинством ученых. В 1925–1926 годах Дейтон Миллер провел интерферометрические наблюдения на горе Вильсон, аналогичные эксперименту Майкельсона-Морли, которые, казалось, указывали на измеримый дрейф Земли сквозь светоносный эфир, что, по-видимому, противоречило другим экспериментам такого типа и предсказанию теории относительности об отсутствии наблюдаемого эфира. В 1955 году Шенкленд опубликовал статью, анализирующую данные Миллера, утверждая, что «небольшие периодические смещения интерференционных полос, обнаруженные Миллером, частично обусловлены статистическими флуктуациями при снятии показаний положения полос в очень сложном эксперименте», и что «остальные систематические эффекты связаны с локальными температурными условиями». Более того, он утверждал, что тепловые градиенты, ответственные за эти эффекты, «были гораздо более выражены на горе Вильсон, чем те, с которыми сталкивались экспериментаторы в других местах, включая самого Миллера в его работе в Кейсе в Кливленде». В обзорной статье 1973 года, посвященной экспериментальному развитию теории относительности, Шенкленд включил письмо от Эйнштейна от 31 августа 1954 года, в котором тот выражал согласие с его анализом. (Шенкленд отправил Эйнштейну рукопись до публикации.) Эйнштейн писал:

Я очень благодарен Вам за то, что Вы прислали мне Ваше тщательное исследование экспериментов Миллера. Эти эксперименты, проведенные с такой аккуратностью, безусловно, заслуживают тщательного статистического анализа. Особенно это важно, поскольку существование заметного положительного эффекта оказало бы глубокое влияние на основы современной теоретической физики. Вы убедительно показали, что наблюдаемый эффект выходит за пределы случайных отклонений и, следовательно, должен иметь систематическую причину. Вы сделали весьма вероятным, что эта систематическая причина не связана с «эфирным ветром», а обусловлена разницей температур воздуха, проходимого двумя световыми пучками, которые создали интерференционные полосы. Такой эффект практически неизбежен, если стены лаборатории имеют заметную разницу температур. Это один из тех случаев, когда систематические ошибки быстро возрастают с увеличением размеров аппаратуры. В повторном анализе Шенкланда не было обнаружено статистически значимого сигнала, указывающего на существование эфира. Этот анализ принят большинством физиков, отказ от концепции эфира практически универсален, а наблюдаемый Миллером сигнал считается результатом предвзятости экспериментатора; «сигнал», который Миллер наблюдал в 1933 году, на самом деле состоит из точек, являющихся средним значением нескольких сотен измерений каждое, а величина сигнала более чем в 10 раз меньше разрешения, с которым были записаны измерения. Хотя Морис Алле и Джеймс Демео не принимают опровержение Шенкланда и продолжают верить, что эксперимент Миллера опровергает теорию относительности, теория Эйнштейна сегодня большинством физиков считается доказанной, в основном благодаря гораздо более точным повторениям измерений Миллера, выполненным с использованием современной оптической техники многочисленными независимыми исследователями, которые окончательно показали, что сообщаемый Миллером положительный сигнал был ложным. Данные Миллера и анализ Шенкланда теперь представляют лишь исторический интерес.

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.

Приложение: частичный список публикаций Шэнкланда

Р. С. Шенкленд, "Очевидный провал теории рассеяния фотонов", Phys. Rev. 49, 8–13 (1936). Р. С. Шенкленд, Дж. В. Колтман, "Отклонение обертонов вибрирующей струны от истинной гармонической серии", J. Acoust. Soc. Am. 10 (3), 161–166 (1939). Р. С. Шенкленд, "Анализ импульсов с помощью гармонического анализатора", J. Acoust. Soc. Am. 12 (3), 383–386 (1941). Э. У. Сэмюэл, Р. С. Шенкленд, "Звуковое поле кристаллов X-среза Стробеля", J. Acoust. Soc. Am. 22 (5), 589–592 (1950). Р. С. Шенкленд, С. В. Маккаски, Ф. С. Леоне и Г. Куэрти, "Новый анализ интерферометрических наблюдений Дейтона С. Миллера", Rev. Mod. Phys. 27, 167–178 (1955). Х. Й. Орместад, Р. С. Шенкленд, А. Х. Бенаде, "Характеристики времени реверберации зала «Северанс»", J. Acoust. Soc. Am. 32 (3), 371–375 (1960). Р. С. Шенкленд, Атомная и ядерная физика (Macmillan: Нью-Йорк, 1960). Р. С. Шенкленд, "Эксперимент Майкельсона-Морли", Am. J. Phys. 32 (1), 16–35 (1964). Р. С. Шенкленд, "Качество реверберации", J. Acoust. Soc. Am. 43 (3), 426–430 (1968). Р. С. Шенкленд, ред., Научные труды Артура Холли Комптона, (University of Chicago Press: Чикаго, 1973). Р. С. Шенкленд, "Роль Майкельсона в развитии теории относительности", Applied Optics 12 (10), 2280 (1973). Р. С. Шенкленд, "Беседы с Эйнштейном", American Journal of Physics 41 (7), 895–901 (1973). Р. С. Шенкленд, "Акустика греческих театров", Physics Today 26 (10), 30 (1973). Р. С. Шенкленд, "Майкельсон и его интерферометр", Physics Today 27 (4), 37 (1974). Р. С. Шенкленд, "Майкельсон: первый американский лауреат Нобелевской премии по науке", Bulletin of the American Physical Society 21 (4), 601–602 (1976). Р. С. Шенкленд, "Архитектурная акустика в Америке до 1930 года", J. Acoust. Soc. Am. 61 (2), 250–254 (1977). Р. С. Шенкленд, "Акустическое проектирование для исполнителей", J. Acoust. Soc. Am. 65 (1), 140–144 (1979). Р. С. Шенкленд, "Эйнштейн, Альберт — Памяти", 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)