книги из ГПНТБ / Джефф Б. Майкельсон и скорость света

Будучи в глубине души атомистом, Ньютон, подобно некоторым древним ученым, считал, что свет состоит из мельчайших частиц, или «корпускул», испускаемых источником света. Частицы эти слишком малы, чтобы их можно было увидеть или измерить, но тем Не менее эта теория давала возможность объяснить многие све­ товые явления — прямолинейное распространение света, отражение от плоскостей, преломление на границе двух сред разной плотности, поглощение света и его дав­ ление.

Однако и сам Ньютон сознавал, что его корпуску­ лярная теория не объясняет всех световых явлений. Она не объясняла интерференцию. Это то явление, которое происходит при сложении нескольких волн: колебания усиливаются, или ослабляются, или совсем затухают. (К явлению интерференции мы еще вернемся.) Ньютон сам ввел понятие «эфирных волн» и выразил мнение, что для объяснения световых явлений требуются обе теории — и корпускулярная и волновая. Ньютон безого­ ворочно признавал понятие эфира, считая предположе­ ние о возможности воздействия на расстоянии одного тела на другое в вакууме без посредства чего-либо еще страшным абсурдом, которого не может принять ни один человек, «наделенный способностью к последовательному философскому мышлению».

Итак, в течение многих столетий отрицать эфир счи­ талось столь же нелепым, как отрицать то, что без воды суда не смогли бы плавать по океану. Какова бы ни была его природа, эфир, по убеждению ученых, напол­ нял собой все пространство, пронизывая всякое веще­ ство, даже проникая между атомами твердых веществ. Однако признание необходимости эфира не исключало споров о его' природе. Эфир имеет свойства твердого тела большой упругости, говорили одни. Он тонок и

разрежен, утверждали другие. Третьи отмечали, что в разных случаях и в разных условиях эфир, как сапож­ ный вар, меняет свои свойства. К последним принад­ лежал и Майкельсон.

Можно ли обнаружить эфир?

Свойства света и в самом деле были таковы, что их не представлялось возможным объяснить, не предполагая существования какой-то среди, способной передавать волновое излучение за миллионы Километров, не ослаб­ ляя первоначальной энергии. Но существует ли эфир на самом деле? Над этой проблемой задумался Майкель­ сон. Может ли ученый в лаборатории либо доказать существование этого теоретического призрака, так кста­ ти выдуманного для разрешения научных дилемм, либо удостовериться, что его не существует? Может быть, это просто физическая фикция, без содержания и формы? Или, как предположил англичанин лорд Солсбери, лишь существительное от глагола «колебаться»?

Если же этот таинственный эфир действительно существует, то неподвижен ли он? Или, как считают не­

сторонников теории неподвижного эфира был француз Огюстен Френель {1788— 1827), блестящий ученый, ко­ торый свел экспериментальные данные о свете в мате­ матически обоснованную волновую теорию света и дока­ зал поперечный характер световых волн. (У попереч­ ных волн колебания направлены под прямым углом к направлению распространения волны. Примером попе­ речных волн являются волны на поверхности воды, а

50

также волны, пробегающие по веревке, когда дергают за один ее конец.) Многие были склонны поддерживать теорию неподвижности эфира, потому что он представ­ лял ту систему отсчета, относительно которой можно было регистрировать абсолютное движение, в отличие от относительного движения. Термин «абсолютный» означал качество, остающееся фактом, безотносительно к положению наблюдателя во Вселенной. Абсолютна ли скорость света? Одинакова ли она, так сказать, для любого наблюдателя независимо от положения источ­ ника света или наблюдателя?

На этот вопрос надо было найти неопровержимый ответ. Это была проблема космического масштаба, из которой вытекали выводы исключительной важности.

Великий Клерк Максвелл писал в статье об эфире для девятого издания Британской Энциклопедии: «Если бы можно было измерить скорость света по времени, которое ему требуется, чтобы пройти расстояние между двумя точками на поверхности Земли, а потом получен­ ные данные сравнить со скоростью света в обратном направлении, то мы смогли бы определить скорость дви­ жения эфира относительно этих двух точек».

В письме, опубликованном в английском научном журнале «Нэйчур» незадолго до смерти,. Максвелл выразил сомнение, что человеку когда-либо удастся най­ ти ответ на этот вопрос. Возможно, что Майкельсон чи­ тал это письмо; во всяком случае проблема по-прежне­ му оставалась неразрешенной. Найти ответ на этот во­ прос стало для него навязчивой идеей.

Может показаться, что со стороны молодого амери­ канца было самонадеянным предполагать, что ему удастся подобрать ключ к проблеме, над которой без­ успешно бились более опытные европейские ученые, но задуманный им эксперимент был, в сущности, довольно

прост. Его натолкнула на это мысль, высказанная од­ нажды известным английским ученым сэром Оливером Лоджем: «Глубоководная рыба, по всей вероятности, не подозревает о существовании воды, ибо она окружена ею одинаково со всех сторон; таково же наше положе­ ние в отношении эфира».

Рассуждения Майкельсона шли следующим путем. Предположим, что эфир — это нечто материальное, что окружает Землю и пронизывает все сущее на ней. Пред­ положим далее, что этот эфир неподвижен. Тогда на­ блюдатель, находящийся на поверхности Земли и несу­ щийся вместе с ней в пространстве вокруг Солнца, должен ощущать «эфирный ветер», подобно тому как стоя­ щий на палубе быстродвижущегося судна матрос чув­ ствует на лице дуновение ветра, хотя на самом деле воз­ дух совершенно спокоен.

Опыт

Майкельсон без конца ломал голову над будущим опы­ том, думая о нем даже по ночам. «Эфирное море», в ко­ торое мы погружены, как рыбы в воду, должно в какойто мере замедлять распространение света, и это замед­ ление должно быть доступно измерению. Следующий пример пояснит это рассуждение. Каждому пловцу изве­ стно, даже если он не понимает причины, что легче пе­ реплыть движущийся поток воды поперек и вернуться на­ зад, нежели проплыть то же расстояние вверх или вниз по течению и обратно. Так, многие рыболовы замечали, что на весельной лодке переплыть на другой берег реки и обратно скорее, чем вверх по течению и назад.

Это явление можно объяснить при помощи очень простого расчета (фиг. 5). Два человека в неподвижной

52

воде гребут с одинаковой скоростью 1,5 ж в секунду. Во­ да в реке, по которой они плывут, движется со скоро­ стью 1,2 ж в секунду, а ширина реки равна 27 ж. Пер­ вый гребец проходит на лодке 27 ж вниз по течению и затем обратно. -Вниз по течению он движется со скоро­ стью 2,7 ж в секунду, на обратном пути его скорость равна всего 0,3 ж в секунду. На всю поездку, таким об­ разом, у него уходит 27/2,7 + 27/0,3=100 сек. Скорость передвижения второго гребца, идущего поперек течения, может быть представлена катетом прямоугольного тре­ угольника, другим катетом которого является скорость движения воды, равная 1,2, а гипотенузой — скорость, с которой гребец передвигается в неподвижной воде,— 1,5. Квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов, или 1,52= 1,22+ х 2, откуда х (скорость его передвижения) равна 0,9 ж в секунду. Поэтому он пересекает реку за

53

27/0,9, или за 30 сек, а общее время, затраченное им на поездку туда и обратно, равно 60 сек, вместо 100 сек, затраченных первым гребцом.

Пользуясь этой простой аналогией, Майкельсон рас­ судил, что эфир будет меньше замедлять свет, если свет распространяется под прямым углом к направлению движения Земли вокруг Солнца, чем если он движется в пространстве в том же направлении, что и Земля. Ес­ ли же эфира не существует, тогда направление распро­ странения света не будет играть никакой роли.

Он замыслил свой опыт следующим образом. Он по­ шлет один луч света на известное расстояние в какомнибудь одном направлении, а другой луч — на такое же расстояние под прямым углом к первому лучу. Оба лу­ ча будут отправлены одновременно и возвратятся в одну и ту же исходную точку. Если эфир действительно существует, лучи, как в случае с двумя гребцами, дол­ жны вернуться в исходную точку в разное время, и бу­ дет иметь место явление интерференции — одно из свойств волнового движения. Оно выразится в том, что в точке пересечения волн двух лучей получатся переме­ жающиеся полосы света, известные как характерная

при смешении двух волн. Когда гребень одной волны совпадает со впадиной другой, волна погашается, и сре­ да в этой точке покоится. Если гребень одной волны совпадает с гребнем другой волны, волна усиливается. Существуют также переходные степени между погаше­ нием и максимальным усилением.

Это явление может быть продемонстрировано в лю­ бом мелком бачке с водой. Опустите одновременно кон­ чики двух пальцев в воду на расстоянии нескольких сантиметров. Они породят две круговые волны.

54

Продолжайте попеременно вытаскивать и опускать в воду пальцы, стараясь по возможности делать это равномерно. Когда встретятся круговые волны от двух источников, можно будет наблюдать картину интерфе­ ренции. Точки, в которых вода остается в покое, обра­ зуют узловые линии, расположенные радиально, подоб­ но спицам в колесе. Между узловыми линиями волновое движение будет продолжаться.

И точно так же, когда гребень одной световой вол­ ны встречается с впадиной другой световой волны, про­ исходит погашение света и, если смотреть через неболь­ шую зрительную трубу или проектировать изображение на экран, можно видеть перемежающиеся темные и свет­ лые полосы. Темные полосы соответствуют погашениям. Если же волны попадают на экран или в зрительную трубу в одной и той же фазе, т. е. гребень на гребень и впадина на впадину, то образуется светлая полоса

(фиг. 6).

Интерференция света была впервые продемонстри­ рована в 1803 году Томасом Юнгом, поставившим бле­ стящий опыт, который полностью подтвердил волновую теорию света и привел ее противников чуть ли не в ис­ ступление. Юнг был человеком разносторонних даро­ ваний: в возрасте двух лет он уже поражал своими спо­ собностями, еще ребенком стал выдающимся лингви­ стом, был музыкантом, математиком, крупным физиком, археологом, расшифровщиком иероглифов, художником, философом и анатомом.

В своем опыте, который он показал на заседании Ко­ ролевского общества в Лондоне, он пропускал монохро­ матический свет от далекого источника света через два расположенных рядом маленьких отверстия в экране, после чего свет падал на другой экран. Световые пятна на втором экране интерферировали и образовывали

55

- 2

в

Фиг. 6. Интерференция.

а — две волны (I, 2) одинаковой амплитуды движутся в одном и том же направлении так, что гребни одной совпадают с впадинами другой; при этом они погашают друг друга (3); б — гребень одной волны находит на гребень другой, а впадина одной — на впадину’ другой (1, 2); волны складываются и амплитуда волнового движения

Интерференция с усилением волн (накладывание гребня на гребень) дает светлые полосы, интерференция с погашением гребня впади­ ной — темные полосы.

перемежающиеся светлые и темные полосы. Этот опыт доказал, что свет и только свет может порождать тем­ ноту, перемежающиеся темные полосы на экране. Юнг объяснил, что светлые полосы на экране получаются, когда волны из обоих отверстий проходят до экрана одинаковое расстояние или когда расстояния, пройден­ ные волнами, рознятся на целое число длин волн, т. е.

56

когда фазы совпадают и гребень приходится на гребень. Темные же полосы получаются, когда расстояния, прой­ денные волнами до экрана, рознятся на полуцелое число длин волн, т. е. когда гребень приходится на впадину, вызывая погашение.

Казалось бы, Майкельсон задумал вовсе не такой уж трудный опыт. Но на самом деле осуществить его было необыкновенно сложно. Ведь свет распростра­ няется с огромной скоростью, а замедление одного из лучей будет в самом лучшем случае ничтожно мало. Наша Земля тащится по орбите со скоростью всего 30 км в секунду, свет же распространяется в десять ты­ сяч раз быстрее. Для проведения такого опыта нужен был прибор необычайной чувствительности в сочетании с безукоризненной техникой экспериментатора. Малей­ шая неточность инструментов, неуловимая ошибка экс­ периментатора — и все результаты пойдут насмарку. Но сложности не пугали Майкельсона. Недостатком уверен­ ности в себе он никогда не страдал.

В 1851 году Физо попытался выяснить, влияет ли движущийся водный поток на скорость света, и если да, то в какой степени. В своем опыте он использовал яв­ ление интерференции. Он пропускал два световых пучка по параллельным стеклянным трубкам, в которые с большой скоростью нагнеталась вода. В одной трубке свет шел в направлении движения воды, а в другой — в противоположном направлении. Через восемь лет Май­ кельсон повторил этот опыт, несколько его видоизменив. Вместо двух отдельных световых пучков он использовал один, расщепив его на два при помощи полупрозрачного зеркала; такое зеркало отражает часть света, а часть света пропускает. В результате один пучок превращает­ ся в два противоположно направленных.

57

Интерферометр Майкельсона

Майкельсон использовал принцип обоих аппаратов Физо и на этой основе создал гораздо более совершен­ ный и чрезвычайно точный инструмент — интерферометр Майкельсона. До этого были уже другие интерферомет­ ры, в частности интерферометр, сконструированный ан­ глийским физиком лордом Рэлеем, но прибор Майкель­ сона превосходил все остальные точностью и заслужил всеобщую известность.

Интерферометр был изготовлен по чертежам Май­ кельсона инструментальным заводом в Берлине на сред­ ства Александра Белла, который взял на себя расходы и тем самым вывел Майкельсона из затруднительного положения. Незадолго до этого, не зная, как изыскать необходимые средства, Майкельсон писал: «Боюсь, что придется отложить эксперимент на неопределенное вре­ мя». Первая модель была готова в 1881 году.

Чтобы понять принцип работы интерфер.ометра, надо разобраться в действии воздушного клина (фиг. 7) и попытаться представить себе систему темных и светлых полос, которая при этом возникает. Эти полосы сдвига­ ются при изменении угла между стеклянными пластин­ ками. Именно этот сдвиг полос и измеряет наблюдатель, работающий с интерферометром.

Принцип действия интерферометра Майкельсона по­ казан на фиг. 8. Луч света А расщепляется, падая на стеклянную пластинку Рь задняя стенка-которой покры­ та очень тонкой серебряной пленкой. Часть луча Г\ отра­ жается от этой серебряной пленки на зеркало Мр,

она точно параллельно пластинке Рь

58