Майкельсон и скорость света

Бернард ДЖЕФФ

6. Прелюдия к относительности

Эксперимент Майкельсона – Морли завел научную мысль в тупик. Вся проблема – природа света реальность эфира, смысл абсолютного движения – толковалась каждым ученым по-своему. И все толкования содержали противоречия и неувязки. Некоторые говорили, что результат опыта Майкельсона – Морли можно объяснить, даже если эфир все же существует. В период между 1893 и 1895 годами два крупнейших специалиста в области математической физики независимо друг от друга выдвинули теорию, одновременно позволявшую признавать и нулевой результат опыта Майкельсона – Морли и существование эфира.

Джордж Ф. Фитцджеральд, блестящий ученый профессор дублинского Тринити Колледж, предложил ошеломляющее объяснение этому противоречию; более подробное развитие его идея получила в трудах Гендрика А. Лоренца, профессора Лейденского университета в Голландии. Суть ее сводилась к тому, что размер предмета изменяется с увеличением скорости его движения. Иными словами, палка, длина которой равна расстоянию Между двумя Неподвижными точками, двигаясь в пространстве с очень большой скоростью в направлении своей длины, уменьшается в размере. Степень сокращения, т.е. разница между длиной палки, находящейся в покое, и палки, находящейся в движении, зависит от скорости ее движения. Людям, привыкшим мыслить в рамках истин, принятых в физике того времени, теория Фитцджеральда представлялась плодом больного воображения. Но оба ученых пришли к ней, рассматривая электромагнитные свойства света, открытые Максвеллом.

Эта оригинальная гипотеза повергла в смятение физиков-ортодоксов. Кто же когда-нибудь видел, говорили они, чтобы палка, сделанная из твердого вещества, действительно уменьшалась в длину, как бы быстро она ни двигалась? Разумеется, никто. Но Фитцджеральд и Лоренц говорили не об обычных скоростях, с которыми повседневно имеют дело инженер или физик. И даже не о таких, как скорость полета пули. Согласно их вычислениям, при скорости 500 км в час сокращение длины равно всего одной биллионной процента, а такую разницу, конечно, не может уловить ни один наш прибор.

Длина и масса при приближении к скорости света

Однако при теоретической скорости, равной примерно половине скорости света, т.е. около 150 000 км в секунду, теоретическое сокращение составляло уже 13,5%. При скорости, равной 90% скорости света, сокращение доходило до 50%. А если бы скорость достигла 99% скорости света, предмет сжался – бы до 14% своего первоначального размера. И наконец, согласно их вычислениям, когда скорость движения достигла бы 300 000 км в секунду, сокращение теоретически равнялось бы 100%. Иными словами, при этой колоссальной скорости материальный предмет исчез бы и полностью превратился бы в эквивалентное количество энергии.

На самом деле предмет никогда не исчезнет полностью, поскольку чем быстрее движение, тем больше делается его масса, а чем больше возрастает его масса, тем труднее увеличивать скорость его движения. Скорость света является теоретическим пределом. При этой скорости произойдет непостижимое – длина предмета станет равна нулю. Отсюда вытекает, что скорость, превышающая скорость света, физически невозможна.

При скорости, с которой Земля движется вокруг Солнца – около 30 км в секунду, – интерферометр Майкельсона сокращается только на одну двухсотмиллионную в направлении движения Земли. Однако в наблюдениях Майкельсона это явление совершенно не принималось во внимание. Теория сокращения Фитцджеральда, при всей своей кажущейся фантастичности, объясняла отрицательный результат эксперимента Майкельсона – Морли: причина была в том, что американские ученые не учли сокращения плеча интерферометра.

Эффект этого сокращения как раз компенсирует предполагаемое действие «эфирного ветра». Рядовым физикам, не говоря уже о людях, далеких от науки, теория Фитцджеральда казалась совершенно невероятной, если не бредовой. Некоторые вспоминали высказывание Джозайи Уилларда Гиббса: «Математик может говорить все, что ему вздумается, но физик должен сохранять хоть какую-то долю здравого смысла». Тем не менее некоторые очень серьезные физики-теоретики заинтересовались этой дикой идеей.

Гипотеза сокращения Фитцджеральда – Лоренца была, несомненно, очень смелой и, казалось, разрешала некоторые недоумения, связанные с экспериментом Майкельсона – Морли, но она по-прежнему исходила из законов старой классической физики, опираясь на понятия абсолютного движения материальных частиц и возможных изменений в скорости света. Она всколыхнула ученый мир, но не привела к коренной ломке представлений. Классические ньютоновские законы движения продолжали править миром.

Но ученых ожидало гораздо более сильное потрясение, явившееся непосредственным следствием опыта, поставленного Майкельсоном еще в 1881 году, а также огромного количества новых данных, полученных при изучении электронов, рентгеновских лучей и радиоактивности. Дж.Дж. Томсон, директор Кавендишской лаборатории экспериментальной физики в Кембридже (Англия), обнаружил электрон и доказал электрическую природу вещества. Изучение радия, открытого во Франции Пьером и Марией Кюри, показало, что электроны, самопроизвольно испускаемые радиоактивными элементами, движутся со скоростью многих тысяч километров в секунду, т.е. значительно большей, чем ранее предполагали возможным. В 1901 году молодой немецкий физик В. Кауфманн экспериментально доказал, что масса этого невероятно быстро движущегося электрона изменяется и что ее изменения определяются скоростью, с которой движется электрон. Этот эффект был аналогичен предполагаемому Фитцджеральдом. Иными словами, масса не является величиной постоянной, как считал Ньютон.

Эйнштейн решает загадку

Сложить воедино разрозненные части головоломки – загадочный результат эксперимента с эфиром, скорость света, абсолютное движение, изменчивость массы, природу энергии и отношение между массой и энергией, – эта задача увлекла молодого ученого Альберта Эйнштейна, работавшего в то время в патентном бюро в швейцарском городе Берне. Эйнштейн родился в Германии в 1879 году, за два года до потсдамского эксперимента Майкельсона. Он окончил Техническую академию в Цюрихе, выпускающую педагогов. У него были блестящие способности к математике и физике, и в нем всегда бурлило «бешеное желание узнать и понять», т.е. мыслить самостоятельно.

Эйнштейн решил пересмотреть проблему электродинамики движущихся тел. Лоренц и другие физики исходили из, казалось бы, естественного предположения о существовании абсолютного движения. С первого взгляда это предположение представлялось вполне разумным, но Эйнштейн считал здравый смысл «скоплением предрассудков, которые в человека закладывают, пока ему еще не исполнилось восемнадцати лет». И не считал нужным слепо принимать этот постулат на веру, хотя он и проистекал из физических представлений того времени.

Отвергнув аксиому о существовании абсолютного движения, Эйнштейн разработал математически обоснованную теорию, которую изложил в работе, ныне известной под названием «Специальная теория относительности». В этой работе, опубликованной в 1905 году немецким журналом «Аннален дер физик», Эйнштейн, которому в ту пору было двадцать шесть лет, ниспроверг классическую физику и революционизировал наше представление о пространстве и времени. Его работа произвела примерно такой же переворот в физике, какой в свое время совершили труды Коперника и Ньютона. Он сформулировал два новых положения. Первое: скорость света постоянна в любом направлении и для любого наблюдателя и не зависит от движения источника света или движения наблюдателя. Скорость света является фундаментальной величиной, определяющей, в частности, взаимосвязь массы и энергии, выраженную через общеизвестное в наши дни уравнение Е = тс², где с – скорость света в вакууме. Второе: Эйнштейн отказался от идеи абсолютного движения. Определить абсолютное движение невозможно. В различных системах отсчета, движущихся друг относительно друга с постоянной скоростью, законы физики одинаковы. Движение должно быть отнесено к какому-то определенному предмету или системе, например к Земле, Солнцу или иному небесному телу. Для всякого наблюдателя движение – относительное, а не абсолютное явление.

По Эйнштейну термин «абсолютный» можно применить к скорости света. Скорость света – одна из немногих постоянных величин в природе. Она одинакова для любого наблюдателя независимо от того, считает ли он себя в состоянии покоя или движения, и она не зависит от источника света. Если даже наблюдатель окажется на борту ракеты, несущейся со скоростью 10 000 км в секунду по направлению к источнику света, свет от этого источника по-прежнему будет распространяться к нему со скоростью 300 000 км в секунду.

Эйнштейн заявил, что предполагать существование эфира нет никакой необходимости: он не нужен для распространения света. Уравнения Эйнштейна применимы и к пространству, лишенному какого бы то ни было эфира. Предложенная им теория включала в себя идею Фитцджеральда о сокращении, но он пришел к ней совершенно иным путем, открыв новые свойства у времени и пространства. Результат опыта Майкельсона и Морли совершенно правилен, поскольку в условиях этого опыта нельзя было ожидать какого-либо влияния эфирного ветра. Эйнштейн развивал эти идеи в течение следующих десяти лет. В 1915 году появилась его новая работа «Общая теория относительности».

Впоследствии и другие предсказания эйнштейновской теории относительности получили экспериментальное подтверждение. Свет – это поток энергии, а всякая энергия имеет массу; из этого вытекает, показал Эйнштейн, что под действием притяжения свет должен изгибаться. Две экспедиции, проводившие наблюдения за полным солнечным затмением 29 мая 1919 года на небольшом острове Принсипе возле западного берега Африки и в Бразилии, обнаружили, что свет не всегда распространяется по прямой, как до тех пор считали. Экспедиция Британского астрономического общества, возглавляемая Эддингтоном, сфотографировала некоторые звезды, свет которых проходил недалеко от закрытого Луной Солнца, и обнаружила отклонение света от прямого пути при приближении к Солнцу. Величина отклонения близко совпадала с предсказанием Эйнштейна.

Проходя через сильное гравитационное поле, утверждал Эйнштейн, свет теряет энергию. Его путь искривляется и длина волн изменяется. При потере энергии длина волны света увеличивается и происходит смещение спектральных линий к красному концу. Это изменение цвета называется гравитационным красным смещением. Сотрудник обсерватории Маунт-Вильсон Чарльз Э. Сент-Джон сообщил о таком смещении в линиях спектра далеких звезд и приписал этот эффект действию гравитационного потенциала. Работавший в той же обсерватории Уолтер С. Адаме также сообщил, что наблюдал красное смещение в свете звезды-спутника. Сириуса и объяснил его на основе теории Эйнштейна.

Эйнштейн и Майкельсон

Произведенный Эйнштейном переворот в физике в значительной мере опирался на классический эксперимент Майкельсона с эфиром. Однако нельзя преувеличивать, заявляя, как это делали некоторые, что специальная теория относительности Эйнштейна явилась в сущности теоретическим обобщением опыта Майкельсона и что ее создание было бы невозможно без этого опыта. В своем письме к автору настоящей книги Эйнштейн следующим образом отозвался о значении опыта американского физика:

«Нет сомнения, что опыт Майкельсона оказал значительное влияние на мою работу, поскольку он укрепил мою уверенность в правильности принципа специальной теории относительности. С другой стороны, я был почти полностью убежден в правильности этого принципа еще до того, как узнал об эксперименте и его результате. Во всяком случае, эксперимент Майкельсона практически разрешил всякие сомнения в правильности этого принципа в оптике и сделал очевидной неизбежность коренной ломки основных концепций физики».

В 1931 году, перед самой смертью Майкельсона, Эйнштейн в одном из своих выступлений заявил, что многим обязан эксперименту Майкельсона.

Теория Эйнштейна расколола научный мир надвое. Многие безоговорочно ее отвергли. Двое последователей Майкельсона – астрономы из Чикагского университета Форест Р. Моултон и Уильям Д. Макмиллан – Открыто выступили против нее. Эмиль Пикар, постоянный секретарь французской Академии наук, в 1922 г. заявил одному из учеников Майкельсона: «Теория относительности для меня все равно, что красная тряпка для быка», Но многие ведущие физики-теоретики приняли теорию Эйнштейна еще до того, как она получила окончательное экспериментальное подтверждение. Рассуждения Эйнштейна были настолько логичны, а его математические построения столь безупречны, что они были вынуждены согласиться с новыми представлениями.

Майкельсон наблюдал за борьбой мнений как бы со стороны, заняв позицию осторожного ученого, дожидающегося, пока будут приведены все доводы и выслушаны все стороны. Проводя свой знаменитый эксперимент, он и не подозревал, что подготавливает почву для теории относительности Эйнштейна с ее грандиозными последствиями. Довольно долгое время Майкельсон неприязненно относился к теории относительности и почти никогда не упоминал о ней в своих лекциях и выступлениях. Казалось, ему было жаль расставаться с классическими законами и привычными понятиями. Впрочем, он признавал, что математические уравнения, возможно, верны, поскольку на их основании непостижимым образом делаются правильные предсказания, Но ход рассуждений Эйнштейна был не вполне понятен.

В математике Майкельсон чувствовал себя не слишком уверенно. В сущности, он был физиком-экспериментатором, а в его время математический багаж даже неплохого физика-теоретика был, по нашим меркам, недостаточным. Теория относительности, а позднее квантовая теория заставили физиков заняться более углубленным изучением математики. Майкельсон имел слишком поверхностное представление о математике, чтобы понять общую теорию относительности. Он мыслил понятиями физических моделей, а не математическими абстракциями. Он, как никто, умел свести сложное уравнение к какому-нибудь простому положению. Однажды Майкельсон попросил Моултона решить для него сложное дифференциальное уравнение, связанное с исследованием внутреннего строения Земли. Моултон решил уравнение и показал Майкельсону результат. Взглянув на него, Майкельсон сказал, что результат получен неверный. Он оказался прав, и Моултону пришлось решать уравнение заново.

Майкельсон остался в стороне от новой физики, применявшей более сложные понятия и теории. Он не занимался исследованиями в области термодинамики, радиоактивности, электроники и квантовой механики и больше уже не имел отношения к развитию теоретической физики, создававшей новые представления о времени, пространстве, энергии и веществе. Однажды он спросил доктора Джона А. Андерсона, знаменитого спектроскописта из обсерватории Маунт-Вильсон: «В чем суть теории звезд Эддингтона?» – «В том, что вещество может быть сжато до плотности, превосходящей плотность воды в тридцать тысяч раз», – начал объяснять Андерсон. «То есть превосходящей плотность свинца?» – спросил Майкельсон. И, когда Андерсон утвердительно кивнул, Майкельсон заметил: «Тогда в этой теории что-то не так».

Майкельсон никогда не боялся признать, что чего-то не знает; у него отсутствовало ложное самолюбие, которое не позволяет просить разъяснения того, чего не понимаешь. Уже в преклонном возрасте ему пришлось побывать в физической лаборатории Калифорнийского университета, где Эрнест О. Лоуренс, которому тогда было двадцать восемь лет, завершал работу над созданием циклотрона – первого ускорителя заряженных частиц. Разговаривая с Лоуренсом о его замыслах, старый ученый даже не пытался скрывать, что не знает теоретических положений, из которых тот исходит. Это произвело на Лоуренса огромное впечатление. Когда еще студентом Йельского университета он впервые приступил к научным исследованиям, он сомневался в своей способности к оригинальному научному творчеству. Встреча с Майкельсоном развеяла его сомнения и дала ему веру в себя. Если ученый такого масштаба, как Майкельсон, не знает всего, то, может быть, и сам он, Лоуренс, не так уж невежествен, как ему представляется, рассуждал он. Девять лет спустя Лоуренсу была присуждена Нобелевская премия.

Живучий эфир

Эксперименты с эфирным ветром, проведенные Майкельсоном в 1881 и 1887 годах, стали приобретать особое значение после того, как Фитцджеральд выдвинул в 1893 году свою гипотезу, и особенно после опубликования в 1905 году теории относительности. Но некоторые ученые продолжали сомневаться в достоверности результатов этих опытов. Они никак не хотели примириться с тем, что этими опытами сказано последнее слово в великом научном споре. Им казалось, что незначительные расхождения в скорости света, время от времени наблюдавшиеся Майкельсоном и Морли, указывали на возможность гораздо более существенных отклонений, которые они не сумели уловить.

Наиболее упорным из скептиков был профессор Института Кейса Дейтон С. Миллер. Крупный физик, член Национальной Академии наук, он был одно время президентом Американского физического общества. В 1897 году он совместно с Морли решил повторить опыт с эфирным ветром. Их содружество продолжалось восемь лет.

Для проведения этого нового эксперимента были приняты дополнительные меры предосторожности против возможных погрешностей и введены некоторые изменения в конструкцию прибора. Лорд Кельвин высказал предположение, что на результаты опыта может оказать влияние материал, из которого изготовлен прибор. В связи с этим камень был заменен деревянным каркасом из белой сосны. Позднее от сосны также отказались, и прибор в окончательном виде состоял из плавающего в ртути огромного стального креста с длиной плеча почти 5 м. Для большей точности путь, проходимый светом, был также увеличен. Прибор был установлен в той же подвальной лаборатории в Кливленде. После многочисленных опытов Миллер и Морли наконец получили значение, намного превосходящее те небольшие отклонения, которые наблюдал Майкельсон и которые он приписывал различным погрешностям. Воодушевленные успехом, они решили продолжать опыты.

На следующий год прибор перенесли в сарай, стоявший на холме (примерно 100 м над уровнем озера Эри), чтобы узнать, окажет ли какое-нибудь влияние на результаты опыта изменение внешней среды. На этот раз наблюдался еще больший сдвиг интерференционных полос, чем в предыдущих опытах. После этого содружество Морли и Миллера распалось. Миллер решил продолжать поиски более убедительных доказательств существования эфира и упорно проводил опыты в полном одиночестве. Шли годы. Эфир по-прежнему не давался ему в руки. В 1921 году он все еще продолжал свои исследования и снова вернулся к ним в 1925 году. На этот раз он перенес свой прибор на вершину горы Маунт-Вильсон в Калифорнии (1800 м над уровнем моря). Вместо стального креста он использовал цементный, полагая, что сталь препятствует получению желаемых результатов. Проведя тысячи наблюдений, Миллер объявил, что разница в скорости распространения света в направлении движения Земли вокруг Солнца и под углом 90 градусов к нему составляет 10 км в секунду, Однако из опубликованных им данных трудно было сделать какие-либо выводы, и Миллер умер в 1941 году, так ничего и не доказав.

В 1924 году несколько ученых, среди них сторонник теории относительности Людвиг Зильберштейн, стали уговаривать Майкельсона повторить опыты по определению влияния вращения Земли вокруг своей оси на скорость света, а также классический эксперимент Майкельсона – Морли. Майкельсон согласился, но весьма неохотно. «По моему, – сказал он, – мы докажем лишь, что Земля вращается вокруг своей оси, а в этом мы, пожалуй, и так уверены». Первый опыт был поставлен в прериях неподалеку от Клиринга (штат Иллинойс), к западу от Чикаго. Чикагский университет ассигновал на проведение опыта 17 000 долларов, а Зильберштейн добавил из личных средств еще 491 доллар 55 центов. Генри Дж. Гейл, профессор физики Чикагского университета, и техник Фред Пирсон помогали Майкельсону измерять скорость света, проходящего через трубу, из которой был частично выкачан воздух. Диаметр трубы был равен 30 см, и она была сварена в виде прямоугольника размером 600 м на 30 м [32].

Во втором опыте был использован старый прибор из эксперимента с эфирным ветром, в который внесли некоторые изменения. Например, уже не нужно было ходить, вслед за вращающейся каменной плитой – наблюдатель помещался на сиденье, приделанном к аппарату, и, таким образом, мог проводить наблюдения с большими удобствами. По-иному были расположены и оптические приборы. Все оборудование было перевезено в глубокий подвал обсерватории Маунт-Вильсон в Пасадене (штат Калифорния). В проведении опытов приняли участие сотрудник обсерватории астроном и конструктор оптических приборов Френсис Г. Пиз и техник Фред Пирсон. Путь светового луча был позднее увеличен с 16 до 26 м, и наблюдения проводились через окуляр с микрометром. И на этот раз никакого сдвига интерференционных полос не было обнаружено [34].

Позднейшие «поиски» эфира

Попытки решить этот спорный вопрос предпринимались и другими учеными. В 1928 году Рой Дж. Кеннеди, аспирант Университета Джонса Гопкинса, повторил опыт Майкельсона в лаборатории Норман Бридж при Калифорнийском технологическом институте. Он видоизменил опыт очень хитроумным способом, обеспечив еще большую точность результатов. Сообщение о своей работе он сделал на конференции, где присутствовали многие выдающиеся ученые, в том числе сам Майкельсон и Лоренц, ставший к тому времени нобелевским лауреатом. (Фитцджеральд умер в 1901 году в возрасте пятидесяти лет.)

Кеннеди также не удалось обнаружить какого-либо заметного смещения. Работа молодого ученого произвела на Майкельсона большое впечатление. «Я вижу, что напрасно тратил время, – сказал он Кеннеди. – Если бы я знал, что вы сделаете это так хорошо, я не стал бы заниматься тем же самым».

На той же конференции было зачитано еще несколько докладов. Так, еще один молодой физик повторил опыт в том же подвале в Пасадене. Его результаты совпали с результатами Кеннеди. Тем временем швейцарский физик Аугуст Пиккар при помощи специального малогабаритного интерферометра, подвешенного к воздушному шару, проделал измерения на высоте примерно 2,5 км над земной поверхностью. Интерференционные полосы автоматически фотографировались на движущуюся пленку, в то время как воздушный шар равномерно вращался с помощью маленьких пропеллеров. Когда воздушный шар приземлился и пленку внимательно изучили, результат оказался тот же – нуль.

Однако поиски эфирного ветра на этом не кончились. Появился ряд новых исследователей, вооруженных более совершенной техникой. В 1948 году Луи Эссен, сотрудник английской Национальной физической лаборатории, поставил опыт с вновь изобретенным прибором, основной частью которого был так называемый полый резонатор. Точность этого прибора в десять раз превосходила точность интерферометра Майкельсона. Однако и с этим прибором Эссен получил все тот же отрицательный результат. И наконец, еще через десять лет, в конце 1958 года, была сделана попытка «изловить» эфир при помощи молекулярного генератора – мазера. Слово «мазер» составлено из первых букв английских слов Microwave Amplification of Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн стимулированным испусканием излучения). Прибор этот был создан в Колумбийском университете Чарльзом Х. Таунсом. (Молекулярный генератор одновременно и независимо был создан советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым. – Прим. ред.)

Молекулы аммиака излучают микрорадиоволны. Скорость распространения этих радиоволн та же, что и скорость света, и они могут быть использованы вместо света в эксперименте Майкельсона с эфиром. Таунс предложил использовать для опыта два мазера – послать луч одного мазера в направлении движения Земли по орбите, а другого – в противоположном направлении и измерить частоту обоих. В случае наличия эфирного ветра должна наблюдаться разница. Было вычислено, что это определение будет иметь точность порядка одной биллионной, наибольшую из всех известных в истории. Наблюдения проводились в научно-исследовательской лаборатории Уотсона при Колумбийском университете. Полученные данные были проанализированы в начале 1960 года, и снова подтвердилось, что Майкельсон был прав. Со времени его первого определения в Потсдаме прошло почти восемьдесят лет, а его результат до сих пор не опровергнут.

• 7. Долговечнее металла

• Оглавление

Дата публикации:

27 октября 2003 года