Майкельсон и скорость света

Бернард ДЖЕФФ

5. Эксперимент Майкельсона – Морли

Школа прикладной науки Кейса, открывшая двери студентам в 1881 году и впоследствии преобразованная в Технологический институт Кейса, помещалась в принадлежавшем ранее Кейсу доме на Роквилл-стрит, неподалеку 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 университет «Уестерн Резерв», переведенный в Кливленд летом 1882 года из Гудзона (штат Огайо). Через дорогу, в сотне метров от лаборатории Майкельсона, находился Адельберт-холл – одно из зданий университета, где работал профессор химии Эдвард У. Морли.

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

Разные и похожие

Внешне эти двое ученых казались весьма разными. Морли был на пятнадцать с лишним лет старше Майкельсона и вел свой род от англичан-переселенцев, покинувших 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 превращается в дело всей жизни. Не получив подходящей духовной кафедры, он занялся химией, которой до этого только занимался любительски. В 1868 году университет «Уестерн Резерв» предложил ему пост профессор, химии и естественной философии. Морли был очень религиозен и время от времени произносил проповеди в окрестных церквах. Более того, он согласился принять пост профессора в «Уестерн Резерв» только при условии, что ему будет разрешено регулярно читать проповеди 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 религии он доверил жене. Восхищаясь чудесами природы, он тем не менее отказывался приписывать их некоему творцу. Однажды звездной ночью, показывая и называя своим детям созвездия на небе, он сказал: «Названия 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 соответствием средств природы и ее целей и с тем неизменным правилом закономерности, которое управляет самыми, казалось бы, беспорядочными и сложными из ее проявлений?» Однако идеи бога он не признавал.

Майкельсон был хорош собой, строен и всегда безукоризненно одет. Морли одевался, мягко выражаясь, небрежно и полностью отвечал бы стереотипному представлению о рассеянном профессоре, если бы не живость движений, энергия и разговорчивость. Он носил длинную до плеч шевелюру и огромные рыжие усы, торчавшие чуть ли не до ушей. Он был женат, но бездетен.

Однако у Майкельсона и Морли было много общего. Оба любили музыку. Майкельсон хорошо играл на скрипке, а Морли был превосходный органист. Оба отличались изобретательностью по части точных измерительных приборов и необыкновенной тщательностью в работе. Морли, как и Майкельсон, не упускал ни одной мелочи и, так же как и он, взявшись за исследование какой-либо научной проблемы, не отступал, пока не доводил дело до конца.

До встречи с Майкельсоном Морли, проверяя сообщения о разном процентном содержании кислорода в разных образцах воздуха, предпринял исследование относительного веса кислорода и водорода в составе чистой воды. Это исследование заняло почти двадцать лет. Он провел тысячи опытов, многие за собственный счет. Он проанализировал методом электролиза бесчисленное количество образцов дистиллированной воды и синтезировал воду методом электрической искры, соединяя заданные количества двух элементов. В результате многолетних исследований он определил вес этих элементов до пятого десятичного знака. Литр кислорода 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 завоевали ему мировое признание.

Влияние движения среды на скорость света

Лорд Кельвин и лорд Рэлей просили Майкельсона проверить влияние движения среды на скорость света. Майкельсон решил в качестве движущейся среды взять воду и своим замыслом поделился с Морли. Тот предложил ему для работы свою лабораторию. Она помещалась 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 стоящей 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, Майкельсон явился утром в лабораторию в совершенно жалком виде. Он заявил Морли, что страдает от нервного истощения 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 эксперимента. Четыре месяца спустя Майкельсон неожиданно приехал в Кливленд и предложил продолжать работу совместно. Здоровье его значительно улучшилось и он смог довести опыт до конца. В 1886 году в «Америкэн джорнал оф сайанс» за подписями обоих появилась работа «Влияние движения среды на скорость света» [7]. Майкельсон и Морли обнаружили, что движение воды оказывает влияние на скорость света, но не такое, какое можно ожидать из теории эфира. Их опыт подтвердил результаты исследований, проделанных Физо в 1851 году. Сразу два учебных заведения – Университет «Уестерн Резерв» и Институт технологии Стивенса присудили Майкельсону степень доктора философии. Эта была первая ученая степень Майкельсона, поскольку в его время Морская академия еще не имела права присуждать звание бакалавра наук.

Теперь, обладая усовершенствованным прибором и обогатив свой опыт, Майкельсон смог вернуться к эксперименту с эфиром, который он так долго откладывал. В этой работе Морли тоже должен был принимать участие. Они были полны самых радужных надежд, и Морли писал отцу 17 апреля 1887 года: «Мы с Майкельсоном приступили к новому эксперименту, который должен показать, одинакова ли скорость распространения света в любых направлениях. Я не сомневаюсь, что мы получим окончательный ответ». Разумеется, Морли несколько упрощенно определял цель опыта. Майкельсон и Морли собирались предпринять решительную попытку «изловить» неуловимый эфир. В случае положительного результата наука получит не только скорость движения Земли по орбите относительно эфира, но и скорость ее вращения вокруг своей оси, а, может быть, даже метод определения скорости движения в пространстве всей солнечной системы. Это была бы первая попытка при помощи локального оптического явления определить абсолютное движение Земли в пространстве, которое отождествлялось с эфиром.

Прибор Майкельсона – Морли

Сконструированный ими прибор оказался весьма массивным сооружением. Он состоял из каменной плиты площадью примерно 150 кв.см и толщиной около 30 см. На плите было установлено четыре зеркала, сделанные из сплава меди, олова и мышьяка, а также все прочее оборудование, включая горелку Аргана. Чтобы обеспечить строго горизонтальное положение каменной плиты и избежать погрешностей за счет вибрации, трения и натяжений, плита плавала в ртути, очищенной Морли. Ртуть наливалась в кольцеобразный чугунный сосуд с толщиной стенок около 1,5 см; поверх ртути плавала деревянная подставка в форме бублика, а на ней уже устанавливалась каменная плита. Осевой стержень обеспечивал концентричность деревянного поплавка и чугунного сосуда. Промежуток между стенкой сосуда и наружным ободком поплавка составлял меньше 1,5 см (рис. 9).

Рис. 9. Установка Майкельсона – Морли.
Большая и очень тяжелая каменная плита покоилась на деревянном поплавке, помещенном в жидкую ртуть. Сосуд с ртутью имел форму бублика. Плавая в жидкости, каменная плита и деревянная подставка сохраняли строго горизонтальное положение.

Чугунный сосуд покоился на опоре, представлявшей собой низкий пологий кирпичный восьмиугольник, внутрь которого был залит цемент. Фундамент интерферометра уходил глубоко в землю, до коренной породы, так как верхний слой почвы не был достаточно устойчивым. По окружности сосуда, на одинаковом расстоянии одна от другой, было сделано шестнадцать отметок. Деревянный чехол защищал оптическую часть прибора (зеркало на каждом углу плиты) от воздушных потоков и внезапных изменений температуры.

Сопротивление движению тяжелого аппарата было сведено до минимума, и, приложив незначительную силу по его окружности, можно было придать ему медленное, плавное и непрерывное вращение. Один полный оборот совершался примерно за 6 минут. Наблюдатель ходил вокруг аппарата, передвигаясь одновременно с вращающейся каменной плитой, и периодически останавливался, заглядывая в маленькую зрительную трубу, чтобы проверить, не произошло ли смещения интерференционных полос. Такое смещение означало бы изменение скорости света в этом направлении (рис. 10).

Рис. 10. Интерферометр в установке Майкельсона – Морли.
Принцип его действия тот же, что и прибора, показанного на рис. 8.

На регулировку этого уникального прибора ушло несколько месяцев. В конце концов Майкельсон добился, что он регистрировал малейшее смещение интерференционных полос. Морли и Майкельсон поочередно ходили вокруг прибора и глядели в зрительную трубу.

Они предполагали, что в течение года должно быть два дня, когда будет наблюдаться максимальный эффект смещения (если только такой эффект вообще существует). В какой-то один день Земля будет двигаться в направлении, прямо противоположном тому, в котором она двигалась в тот, другой день.

Они проводили наблюдения ежедневно в двенадцать часов дня и в шесть часов вечера в шестнадцати различных направлениях. Напрягая зрение, они вглядывались в интерференционные полосы, пытаясь определить их смещение.

Опыты были закончены в июле 1887 года. Когда все результаты были сведены воедино и проанализированы, все подсчеты сделаны и неоднократно проверены, исследователи оказались перед лицом упрямого факта, разрушавшего всю стройную теорию. Против всякого ожидания, смещения того порядка, которого требовала гипотеза неподвижного эфира, обнаружено не было. Это было похоже на смертный приговор представлению о неподвижном эфирном океане. Майкельсон довольно благосклонно относился к теории неподвижного эфира и надеялся, что опыт позволит его обнаружить. Как же иначе могли распространяться электромагнитные колебания, в том числе световые волны? Опять результат тонко задуманного и блестяще выполненного эксперимента привел Майкельсона в полное недоумение.

«Величайший из всех отрицательных результатов»

Майкельсон и Морли послали свое сообщение в «Америкэн джорнал оф сайанс» [8]. Оно было озаглавлено: «Об относительном движении Земли и светоносного эфира». В том же году оно было также напечатано в английском журнале «Филозофикал мэгэзин». Вывод Майкельсона стал известен ученым всего мира. В каком бы направлении ни двигался наблюдатель, уловимой разницы в скорости света не обнаруживалось. Иными словами, приходилось признать невероятное: как бы быстро вы ни бежали за светом, догнать его невозможно. Он по-прежнему будет убегать от вас со скоростью 300 000 км в секунду. Такое заключение противоречило всему человеческому опыту. Самолет, который летит со скоростью 600 км в час при попутном ветре, дующем со скоростью 50 км в час, делает относительно какой-нибудь неподвижной точки 650 км в час. Если же он летит против ветра, его скорость уменьшится до 550 км в час. Поскольку Земля движется вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км в секунду, скорость светового луча, идущего в одном с Землей направлении, должна быть больше скорости луча, идущего в обратном направлении. Однако опыт Майкельсона опровергал это предположение.

Английский физик и философ Джон Д. Бернал назвал открытие Майкельсона и Морли «величайшим из всех отрицательных результатов в истории науки». Однако Майкельсон не был окончательно обескуражен результатами своего опыта. Хотя существование неподвижного эфира ими исключалось, оставалась еще одна возможность, что «Земля увлекает за собой эфир, придавая ему почти ту же скорость, с какой движется сама, так что скорость движения эфира по отношению к поверхности Земли равна нулю или очень мала».

Через десять лет после опубликования этого исторического сообщения Майкельсон экспериментально проверил «вторую гипотезу, послав два световых луча по периметру вертикально поставленного прямоугольника, стороны которого были равны 15 и 60 м. Результаты не подтвердили этой гипотезы.

Майкельсон не был убежден, что «провал» его опыта окончательно решает вопрос. «Поскольку результат опыта был отрицательным, проблема по-прежнему ждет своего решения», – публично заявил он. А в утешение себе он привел довольно неожиданный довод: «На мой взгляд, эксперимент не прошел впустую, поскольку поиски разрешения этой проблемы привели к изобретению интерферометра. Я думаю, что все признают, что изобретение интерферометра вполне компенсирует отрицательный результат данного опыта».

Много лет спустя, выступая в обсерватории Маунт-Вильсон перед ученой аудиторией, Майкельсон дал совсем другую оценку относительной важности эксперимента с эфиром и изобретения интерферометра. Он признал, что его утверждение о большей ценности инструмента противоречило «некоторым важным теоретическим соображениям», потрясшим научный мир. Как выяснилось за истекшие годы, Майкельсон, сам того не подозревая, заготовил материал, из которого в Европе была построена одна из величайших научных теорий всех времен. Это один из редких случаев, когда первоначальное открытие было сделано в Америке и уже позднее использовано в Европе. Почти всегда получалось наоборот.

• 6. Прелюдия к относительности

• Оглавление

Дата публикации:

27 октября 2003 года