книги из ГПНТБ / Джефф Б. Майкельсон и скорость света

Темная

полоса

Светлая

полоса

Темная

полоса

Фиг. 7. Схема действия воздушного клина.

Интерференционные полосы можно наблюдать, посылая луч монохрома­ тического света на две плоские стеклянные пластинки, разделенные очень тонким воздушным клином. Чтобы получить такой клин, доста­ точно между пластинками с одного конца вложить листок целлофана. Монохроматический свет (в данном случае желтый свет паров натрия) получают, помещая в пламя горелки поваренную соль. На клине на­

блюдаются перемежающиеся светлые и темные полосы.

К тому моменту, когда луч гх достигает зеркала Ми

зившись от зеркала М\, он возвращается по уже прой­ денному пути, в третий раз проходит через пластинку Р 1 и попадает в зрительную трубу наблюдателя.

59

Монохроматический

ист рчник с еето

Пластинка Рг равна по толщине пластинке Р( и расположена параллельно ей. Зеркала Мг и М 2 находятся под прямым углом друг к другу. Зеркало М2 можно перемещать при помощи специального винта в

Серебряная пленка на задней стенке Р\ настолько тонка, что луч г2 проходит сквозь нее. Затем он проходит через пластинку Р2 на зеркало М2, отражается от него и возвращается по тому же пути. Потом луч г2 еще раз проходит через пластинку Р2 и, отражаясь от задней стенки Рь попадает в зрительную трубу наблюдателя.

60

Обратите внимание, что, пройдя один раз через Рх и два раза через Р2, луч г2 проделал путь, равный пути, про­ деланному лучом Г], который трижды прошел через Р\, поскольку пластинки Р1 и Р2 имеют одинаковую толщи­ ну. Таким образом, лучи Г\ и г2 проходят до зрительной трубы наблюдателя одинаковое расстояние.

Теперь предположим, что два зеркала расположены на абсолютно равном расстоянии от полупосеребренной пластинки, угол между их плоскостями составляет точ­ но 90°, а обе пластинки имеют абсолютно одинаковую толщину и расположены под углом точно 45° к направ­ лению движения луча. Глядя в зрительную трубу, на­ блюдатель видит темное поле. Мнимое изображение зер­ кала М2 совпадает с плоскостью Ми но луч г2, в отли­ чие от луча гь отражается от наружной плоскости Ри и два луча встречаются в противофазе. Если же эти условия не соблюдены, плоскость зеркала М2 не совпа­ дает с плоскостью Мь а играет роль одной из стеклян­ ных пластинок, показанных на фиг. 7, образуя клин с плоскостью М\. Глядя в зрительную трубу, наблюдатель видит интерференционную картину темных полос, а ког­ да он при помощи специального винта изменяет поло­ жение зеркала М2, темные полосы смещаются поперек его поля зрения. При перемещении зеркала на половину длины волны каждая полоса сдвигается в положение, ранее занимаемое соседней полосой. Подсчитывая эти смещения, наблюдатель может точно определить степень перемещения зеркала.

Майкельсон впервые испытал свой прибор в лабора­ тории Германа Гельмгольца при Берлинском универси­ тете. Обсуждая с Майкельсоном предстоящий опыт, Гельмгольц подчеркивал трудность поддержания посто­ янной температуры, но тот, несмотря на свое уважение к старейшему ученому, держался иного взгляда. «Все

61

льдом, и тем самым будет обеспечена практически по­ стоянная температура».

Как и во время подготовки предыдущего опыта с измерением скорости света, работа неоднократно пре­ рывалась— то по техническим причинам, то разными се­ мейными событиями. Хотя интерферометр был установ­ лен в лаборатории Гельмгольца на прочном каменном фундаменте, вибрация, вызываемая проезжающими по улицам Берлина экипажами, мешала проведению на­ блюдений не только днем, но даже и ночью. Семейным же событием, помешавшим эксперименту, явилось рож­ дение третьего ребенка — Эльзы. Майкельсон не был склонен к сантиментам и обычно не замечал праздников и именин. Но одно дело — праздник, другое — рождение дочки. И он прервал работу, чтобы скромно отметить семейное торжество.

Затем он вернулся к проблеме вибрации. В апреле прибор был разобран и перевезен в астрофизическую обсерваторию в Потсдаме. Здесь, поместив прибор в ни­ шу в кирпичном фундаменте большого телескопа, Май­ кельсон, наконец, добился удовлетворительной точно­ сти. (Но и в этом надежном месте прибор изводил Майкельсона, реагируя на малейшую вибрацию, вызванную даже шагами человека, идущего по каменной мостовой за квартал до обсерватории.)

Гипотеза эфира ошибочна

К невыразимому удивлению самого Майкельсона опыт не дал результата. Майкельсон не обнаружил задержки . в распространении света ни в каком направлении. Про-

62

исходило лишь ничтожное смещение интерференционных полос. Обе половины расщепленного пучка возвраща­ лись практически в одно и то же мгновение.

Это казалось почти невероятным. Так называемый «эфирный ветер» не оказывал совершенно никакого влияния на скорость света независимо от направления луча — по «ветру» или поперек него. Напрашивался вы­ вод, что Земля неподвижна относительно эфира, а это предположение, разумеется, совершенно нелепо.

Однако от наблюдений и фактов никуда не денешь­ ся. И Майкельсон скрепя сердце вынужден был обна­ родовать результаты своих опытов. Он это сделал в ав­ густовском номере «Америкэн джорнал оф сайанс» за 1881 год. Статья была озаглавлена «Относительное дви­ жение Земли и светоносного эфира» [5]. Его заключение было кратко и не оставляло места для сомнений. «Гипо­ теза неподвижного эфира ошибочна»,— писал он.

Что же оставалось думать физикам? Можно было допустить, что Земля, двигаясь вокруг Солнца, увлекает эфир за собой. А, может быть, никакого эфира и не су­ ществует? Может быть, эфир — это просто удобный миф, придуманный физиками для подкрепления своих тео­ рий, подобно тому как миссис Сара Темп из романа «Мартин Чеззлвит» Чарльза Диккенса придумала мис­ сис Гаррис, чтобы ссылаться на ее мнение в подтвержде­ ние своих суждений и россказней.

Само собой разумеется, что вывод, опрокидывающий все привычные представления, вызвал долгие споры. Австрийский философ и физик Эрнст Мах, имя которого часто упоминается в наш век реактивных двигателей и сверхзвуковых чисел Маха, был одним из тех ученых, которые раз и навсегда отвергли реальность эфира. Другой выдающийся ученый, англичанин лорд Кельвин, который требовал, чтобы любая физическая теория

63

ЭКСПЕРИМЕНТ МАЙКЕЛЬСОНА — МОРЛИ

Школа прикладной науки Кейса, открывшая двери сту­ дентам в 1881 году и впоследствии преобразованная в Технологический институт Кейса, помещалась в при­ надлежавшем ранее Кейсу доме на Роквилл-стрит, не­ подалеку от центральной площади Кливленда. Первое, что предстояло сделать Майкельсону по вступлении в свои обязанности,— это оборудовать лабораторию в подсобном строении на территории школы.

По соседству с владением Кейса располагался уни­ верситет «Уестерн Резерв», переведенный в Кливленд летом 1882 года из Гудзона (штат Огайо). Через доро­ гу, в' сотне метров от лаборатории Майкельсона, нахо­ дился Адельберт-холл — одно из зданий университета, где работал профессор химии Эдвард У. Морли.

Майкельсон и Морли вскоре познакомились и сбли­ зились на почве общих научных интересов. Они вместе ездили на научные конференции в Балтимору, Мон­ реаль и другие города, и чем лучше узнавали друг друга, тем больше крепла их взаимная симпатия и уважение.

Разные а похожие

Внешне эти двое ученых казались весьма разными. Морли был на пятнадцать с лишним лет старше Майкельсона и вел свой род от англичан-переселенцев, по­ кинувших Британские острова еще в начале XVII века. Отец его был священник-конгрегационалист, а сам он в 1864 году закончил духовную семинарию в Эндовере (штат Массачусетс) и готовился принять духовный сан. Его карьера являет пример того, как увлечение превра­ щается в дело всей жизни. Не получив подходящей ду­ ховной кафедры, он занялся химией, которой до этого только занимался любительски. В 1868 году универси­ тет «Уестерн Резерв» предложил ему пост профессора химии и естественной философии. Морли был очень ре­ лигиозен и время от времени произносил проповеди в окрестных церквах. Более того, он согласился принять пост профессора в «Уестерн Резерв» только при усло­ вии, что ему будет разрешено регулярно читать пропо­ веди в часовне университета.

Что касается Майкельсона, то он был очень далек от религии. Отец его был атеистом, и в жизни их семьи религия не занимала никакого места. Таким образом, он не приобщился к древней вере своих праотцев и всю жизнь был неверующим. Воспитание детей в духе ре­ лигии он доверил жене. Восхищаясь чудесами природы, он тем не менее отказывался приписывать их некоему творцу. Однажды звездной ночью, показывая и назы­ вая своим детям созвездия на небе, он сказал: «Назва­ ния созвездий вы можете и забыть, но людей, которые не преклоняются перед чудесами природы, я считаю недостойными уважения». Как-то раз он писал: «Что может сравниться по красоте с великолепным соответ­ ствием средств природы и ее целей и с тем неизменным

66

правилом закономерности, которое управляет самыми, казалось бы, беспорядочными и сложными из ее прояв­ лений?» Однако идеи бога он не признавал.

Майкельсон был хорош собой, строен и всегда без­ укоризненно одет. Морли одевался, мягко выражаясь, небрежно и полностью отвечал бы стереотипному пред­ ставлению о рассеянном профессоре, если бы не жи­ вость движений, энергия и разговорчивость. Он носил длинную до плеч шевелюру и огромные рыжие усы, торчавшие чуть ли не до ушей. Он был женат, но без­ детен.

Однако у Майкельсона и Морли было много обще­ го. Оба любили музыку. Майкельсон хорошо играл на скрипке, а Морли был превосходный органист. Оба от­ личались изобретательностью по части точных измери­ тельных приборов и необыкновенной тщательностью в работе. Морли, как и Майкельсон, не упускал ни одной мелочи и, так же как и он, взявшись за исследование ка­ кой-либо научной проблемы, не отступал, пока не дово­ дил дело до конца.

До встречи с Майкельсоном Морли, проверяя сооб­ щения о разном процентном содержании кислорода в разных образцах воздуха, предпринял исследование от­ носительного веса кислорода и водорода в составе чи­ стой воды. Это исследование заняло почти двадцать лет. Он провел тысячи опытов, многие за собственный счет. Он проанализировал методом электролиза бесчис­ ленное количество образцов дистиллированной воды и синтезировал воду методом электрической искры, со­ единяя заданные количества двух элементов. В резуль­ тате многолетних исследований он определил вес этих элементов до пятого десятичного знака. Литр кислоро­ да весит 1,42900 г, а водорода 0,89873 г, с возможной ошибкой в одну трехсоттысячную. Эти величины были

повсеместно приняты за стандартные, как и полученное Морли отношение водорода к кислороду 1,0076 к 16. Эксперименты Морли были классическими и завоева­ ли ему мировое признание.

Влияние движения среды на скорость света

Лорд Кельвин и лорд Рэлей просили Майкельсона про­ верить влияние движения среды на скорость света. Майкельсон решил в качестве движущейся среды взять воду и своим замыслом поделился с Морли. Тот пред­ ложил ему для работы свою лабораторию. Она по­ мещалась в большой подвальной комнате, и условия в ней были идеальными для задуманного Майкельсоном опыта. Морли не был специалистом-физиком, но он был сообразителен, находчив и увлечен проблемой. В 1860 году, еще студентом он одно время работал в области астрономии. Майкельсон рассказал ему о стоя­ щей перед ними задаче и о приборе, который он думает применить. Морли готов был немедленно приступить к работе. Однако в сентябре 1885 года, когда работа над опытом находилась еще в начальной стадии, Майкель­ сон явился утром в лабораторию в совершенно жалком гиде. Он заявил Морли, что страдает от нервного исто­ щения и нуждается в длительном отдыхе. Он сказал, что ему нужно уехать из Кливленда по крайней мере на год. Не согласится ли Морли самостоятельно закончить прибор, провести опыты и опубликовать результаты? Он передал Морли некую сумму, полученную им на проведение опытов, и добавил еще 100 долларов своих.

Затем Морли получил от Майкельсона письмо из Нью-Йорка. Они регулярно переписывались по поводу

68