Майкельсон и скорость света

Бернард ДЖЕФФ

7. Долговечнее металла

Описывая деятельность ученых, которые, подобно Майкельсону, отличались необыкновенной разносторонностью и огромной работоспособностью (каждое столетие рождает несколько таких людей), трудно сохранить хронологическую последовательность и четко провести границы между отдельными исследованиями. Может показаться, что опыты Майкельсона с измерением скорости света и с эфиром были столь серьезными и трудоемкими, что никакой другой работой он уже не мог заниматься. Но дело обстояло совсем не так.

«Америкэн джорнал оф сайанс» за 1887 год, где был напечатан отчет об эксперименте Майкельсона – Морли, открывший для этих ученых путь к международному признанию, поместил еще одну работу этих же авторов. – Называлась она «О методе использования длины волны света натрия в качестве естественного и практического эталона длины» [9]. И на этот раз Майкельсон взялся за разработку темы, волновавшей ученых уже довольно долгое время, но не нашедшей своего исследователя. Некоторые ученые высказывали предположение, что неизменная длина световых волн могла бы послужить единым мировым эталоном длины. И Майкельсон первый попытался осуществить эту мысль.

Севрский брус

За несколько лет до этого была созвана Международная конференция по мерам и весам, чтобы положить конец хаосу, царящему в измерительных системах разных стран. Представители тридцати стран, включая Соединенные Штаты, собрались во французском городе Севре. В результате этой конференции было создано Международное бюро мер и весов и метрическая система объявлена стандартной. Эталоном длины в метрической системе является брус, сделанный из сплава платины и иридия, длина которого несколько больше метра и который хранится в Севре в строго охраняемом подвале Международного бюро мер и весов, где поддерживаются постоянными температура и давление. На этом брусе нанесены два штриха. Расстояние между ними, измеренное при температуре 0° Цельсия и при давлении 760 мм рт. ст., является эталоном длины – метром. Предполагалось, что метр составляет одну сорокамиллионную часть меридиана, проходящего через Париж. На самом же деле многочисленные измерения этого меридиана, длина которого принимается за 40 000 000 м, каждый раз давали различные цифры. Тем не менее брус является эталоном, и с него были сделаны копии для большинства стран мира.

Несмотря на все предосторожности, эталон, хранящийся в Севре, может быть, конечно, поврежден и даже потерян и уж во всяком случае может измениться со временем. У Майкельсона появилась смелая мысль использовать интерферометр, способный с необычайной точностью измерять малейшие расстояния, для создания замены металлическому эталону. Он задумал подарить науке новый международный эталон длины, основанный на длине волны какого-нибудь монохроматического света, т.е. света, имеющего определенную длину волны. Этот новый эталон будет свободен от недостатков металлического бруса. Его можно будет воспроизвести почти в любом месте и в любое время на основании точных измерений, которые ученые любой страны мира смогут осуществить с помощью интерферометра. Кроме того, длина волны монохроматического света, выбранного с учетом всех требований, будет неизменной и вечной. Майкельсон писал: «Свойства атомов, испускающих это излучение, едва ли могут измениться даже через несколько миллионов лет, а если это и произойдет, то к тому времени – юмористически добавил он, – человечество, возможно, потеряет интерес к этой проблеме».

Призма Ньютона

Принцип, из которого исходил Майкельсон, был открыт за два столетия до этого. В 1666 году Исаак Ньютон, которому тогда было 23 года, увлекался шлифовкой призм, и поставил простой опыт. Затемнив комнату и оставив в ставне небольшую щель, через которую проходило бы достаточно солнечного света, он поместил у самой щели призму, преломясь в которой, свет попадал на стену. Солнечный свет расщеплялся в разноцветный спектр. Затем при помощи другой стеклянной призмы Ньютон фокусировал все эти цвета в один пучок и вновь получил солнечный свет. Это был первый дошедший до нас опыт, когда был продемонстрирован состав белого света.

О результатах опыта Ньютон сообщил в своей первой научной работе, опубликованной в 1672 году в «Транзекшнс оф Ройал Сосайети». Она вызвала ожесточенные споры.

Одним из противников теории Ньютона был великий английский физик Роберт Гук. (Полемика была столь ожесточенной, что даже через много лет после смерти Ньютона поэт Вольфганг Гёте выступал против спектральной теории, называя ее «искусственной гипотезой, которую должны развеять, как дым, точное наблюдение и трезвое мышление».) Ньютон, очень болезненно переживавший эти нападки, чуть не забросил свои опыты. «Меня вконец изводили споры с противниками моей теории, – писал он, – и я ругал себя за то, что столь опрометчиво пожертвовал драгоценным спокойствием духа в погоне за тенью».

Молодой Ньютон объяснял свой классический эксперимент следующим образом: белый солнечный свет состоит из света различных цветов, каждый из которых имеет свой собственный показатель преломления. Попадая на призму, солнечный свет преломляется дважды – входя в призму и по выходе из нее. Эти два преломления изменяют направление луча каждого цвета по-разному. Результатом является разделение белого света в многоцветный спектр.

Согласно волновой теории света, разработанной в XIX веке, каждый цвет характеризуется своей длиной волны. Красный цвет имеет самую длинную волну (0,000068 см), а фиолетовый – самую короткую (0,000040 см, или 2 500 000 длин волн на один метр). Изменение направления при преломлении зависит от длины волны. Чем меньше длина волны, тем сильнее преломление. Красный свет, имеющий наибольшую длину волны, преломляется менее всего, а фиолетовый – более всего. (Необходимо отметить, что видимый свет, о котором мы говорим, занимает лишь небольшую часть спектра электромагнитного излучения, который простирается от радиоволн очень большой длины до ультракоротких гамма-лучей.) Различие в преломлении, создающее спектр, объясняется различием в скоростях распространения волн разной длины. Когда солнечный свет входит в стеклянную призму, там начинается нечто вроде гонки, в результате которой и происходит разделение цветов.

Примерно через двести лет после эксперимента Ньютона, когда Майкельсону было семь лет, два немца – Роберт Бунзен и Густав Р. Кирхгоф – изобрели новый оптический инструмент, получивший название спектроскопа. Основной частью этого инструмента была стеклянная призма Ньютона. С изобретением спектроскопа появилась новая наука – спектроскопия. С помощью спектроскопа было обнаружено, – что некоторые светящиеся тела, такие, как Солнце, имеют непрерывный спектр; другие же, как, например, раскаленный газ или пар, – прерывистый, или линейчатый спектр. Раскаленный пар каждого химического элемента дает свою собственную характерную цветную линию или систему линий, которые определяются движением электронов данного элемента. Каждая чистая цветная линия имеет» определенную длину волны. Каждая широкая линия спектра может представлять собой сочетание близко расположенных тонких линий, которые очень трудно разделить. Некоторые элементы дают спектр, состоящий из ряда четких цветных линий, относительно далеко расположенных и легко отличимых одна от другой.

В поисках спектрального эталона

Анализ тонкой структуры некоторых спектральных линий был нелегким делом, требующим от экспериментатора большого искусства. Майкельсон первый обнаружил, что красная линия водорода на самом деле состоит из двух линий, отделенных расстоянием примерно в одну шестидесятую расстояния между яркими желтыми линиями парообразного натрия.

Приступая к поискам нового эталона длины, Майкельсон прежде всего задался вопросом, какой выбрать для этого элемент. Он испробовал несколько элементов и, наконец, остановился на одной из четких линий натрия. Предварительные измерения этой линии дали ему первый приблизительный эталон. Однако натриевый эталон недолго удовлетворял его, и он вскоре от него отказался в пользу зеленой линии ртути, а затем окончательно остановился на ярко-красной линии кадмия.

К этому времени (1888 год) Майкельсон был уже признанным ученым и был достаточно заметным человеком в своем городе – честь, которая в то время выпадала на долю ученых еще реже, чем теперь. Кроме того, он был вице-президентом Американской ассоциации содействия развитию науки и председателем ее Физического отделения. Но он не был доволен своей жизнью в Кливленде. Помимо всего прочего, у него уходило слишком много времени и сил на выколачивание у опекунов Института Кейса средств на нужды факультета и на свою исследовательскую работу.

Он решил переменить базу своей деятельности. После окончания занятий летом 1889 года он ушел из Института Кейса во вновь созданный Университет Кларка в Вустере (штат Массачусетс).

Морли, естественно, был этим сильно огорчен, но понимал мотивы Майкельсона. «В Вустере ему будет гораздо лучше, – писал он своему отцу, Сардису Морли. – Его там приняли с распростертыми объятиями. Собственно говоря, в конце этого года отсюда собираются уходить все преподаватели, кроме профессора химии», Морли заключил свое письмо следующими словами: «Они, несомненно, потеряли одного из двух крупнейших физиков нашей страны». Вторым, он, по-видимому, считал Генри А. Роуланда, профессора Университета Джонса Гопкинса.

В это же время Мичиганский университет в Энн Арбор предложил Морли кафедру химии. Майкельсон уговаривал его принять это предложение, говоря, что его «недостаточно ценят» в университете «Уестерн Резерв», но Морли отказался.

При расставании Майкельсон и Морли договорились, что на следующее лето Морли приедет в Вустер и они продолжат начатое совместно исследование. В начале декабря Майкельсон написал Морли: «Я очень сожалею, что мне приходится одному работать над измерением длин волн, но если, как я надеюсь, этот метод с течением времени получит признание или у нас, или, что более вероятно, во Франции, я буду, конечно, выступать за дублирование измерений, и тогда у вас будет более чем достаточно работы».

Морли решил съездить в Вустер. Майкельсон сообщил ему, что решил продолжать работу самостоятельно, и пригласил Морли с женой к себе в гости на зимние каникулы. Он также ходатайствовал перед Смитсонским институтом, чтобы он предоставил в пользование Морли очень чувствительные весы для его опытов с кислородом и водородом. Институт заказал еще одни такие весы в Вене и переслал их Морли.

В Университете Кларка Майкельсон почти все свое время отдавал исследовательской работе. Лишь раз в неделю он читал лекцию по оптике и за все три года своего пребывания в Вустере руководил работой лишь четырёх аспирантов. В основном он занимался изысканиями, связанными с новым эталоном длины.

В 1892 году он сообщил о своей работе астроному Бенджамину А. Гульду, американскому представителю в Международном комитете мер и весов. По предложению Гульда Майкельсон получил приглашение Рене Бенуа, директора Международного бюро мер и весов, приехать в Париж и продолжать свою работу в лаборатории бюро в Севре. Он был весьма польщен этим приглашением, считая, что оно оказывает честь не только ему, но и всей американской науке.

Майкельсон отплыл во Францию в июле 1892 года вместе с одним из своих аспирантов, Фрэнком Л.О. Уодсуортом. Их ждала долгая и кропотливая работа, которая явилась бы нелегким испытанием для самого терпеливого и самоотверженного исследователя. На их пути неоднократно вставали непредвиденные трудности, им не раз приходилось начинать все сначала, но наконец Майкельсон получил удовлетворившее его отношение длины волны кадмия к длине платинового бруса. Он объявил, что 1 553 163,5 длины волны красной линии кадмия равны по длине севрскому платиноиридиевому эталону. Майкельсон считал, что возможная ошибка в измерении не может превышать одной десятимиллионной!

Ученый мир привык верить этому человеку. Тринадцать лет спустя трое французских ученых, повторивших его измерение, получили несколько иной результат – 1 553 164,13. Эта незначительная разница равносильна ошибке в 30 см при измерении расстояния между Нью-Йорком и Чикаго. Майкельсон еще раз подтвердил свою репутацию непревзойденного экспериментатора и искусного изобретателя точных инструментов.

Величина, обратная найденному Майкельсоном числу, была принята Седьмой Генеральной международной конференцией по мерам и весам в качестве нового первичного эталона длины.

Согласно новому определению, эталоном длины является «длина волны красной линии спектра паров кадмия, равная 6 438,4696 ангстрема в сухом воздухе при температуре 15° Цельсия и давлении 760 мм рт. ст. (Единица ангстрем, равная 10^–10 м, была так названа в честь шведского спектроскописта Андерса Ангстрема.)

Впоследствии сотрудники Калифорнийского университета – специалист по электронике Джекоб Х. Винс и физик Луи У. Альварец – провели измерение, давшее, по их мнению, более удобный эталон, чем кадмий. Это длина волны искусственного изотопа ртути, имеющего атомный вес 198. Изотоп этот был впервые получен в 1934 году создателем первого атомного реактора Энрико Ферми. Он получал этот изотоп, бомбардируя золото (элемент с атомным весом 197) нейтронами. Длина волны его четкой зеленой линии равна 5460,752 ангстрема. Выдвигалось и еще одно предложение: принять новое определение метра, «основанное на длине волны, испускаемой криптоном, имеющим атомный вес 86. Предложение это было внесено на рассмотрение Генеральной конференции по мерам и весам. Однако эталон Майкельсона пока остается в силе. Таким образом, Майкельсон сделал еще один крупный вклад в науку, на этот раз в области метрологии.

Переезд в Чикаго

Вскоре Майкельсон ушел из Университета Кларка. За несколько лет он уже дважды оказывался во главе факультета физики вновь созданного высшего учебного заведения. Теперь к нему с таким же предложением обратился третий университет – Чикагский. На этом его переезды закончились; в Чикаго он оставался до конца своих дней.

Чикагский университет был основан в 1890 году на средства Джона Д. Рокфеллера. Как и в европейских университетах, в этом учебном заведении студенты и аспиранты не только учились, но и получали возможность вести научно-исследовательскую работу. Во главе университета был поставлен энергичный и честолюбивый молодой администратор Уильям Р. Гарпер. Задавшись целью заполучить к себе лучшие научные силы Соединенных Штатов, особенно из среды молодых ученых, он стал переманивать их из других колледжей. В результате такой мародерской деятельности, получившей название «набег Гарпера», он собрал в Чикагский университет наиболее известных ученых страны. Среди них были геолог Томас С. Чамберлин, ботаник Джон М. Коултер, математик Элиаким Х. Мур, химик Джон У. Неф, зоолог Чарльз О. Уитмен. Последний был профессором Университета Кларка, и нет ничего удивительного в том, что Гарпер заинтересовался также Альбертом А. Майкельсоном.

Гарперу не пришлось долго уговаривать Майкельсона покинуть Университет Кларка. Ученому было тогда всего тридцать восемь лет, и он был полон творческих замыслов. Незадолго до этого Лондонское королевское общество присудило ему медаль Румфорда; его известность за пределами Соединенных Штатов росла. Он имел репутацию смелого и одаренного экспериментатора. Характер в ту пору у него был не из легких; он был прямолинеен, не терпел противоречий и не умел скрывать свои мысли и смягчать выражения. Некоторые называли его несносным. Кроме того, у него были счеты с администрацией Университета Кларка. Как и в Школе Кейса, у него возникли осложнения из-за ассигнований на нужды его факультета. В одной из стычек с президентом университета Дж. Стенли Холлом Майкельсон заявил, что если тот хочет иметь в штате первоклассного физика, то ему следует научиться обращаться с ним как с первоклассным физиком.

Может быть, Майкельсон немного и пересаливал, увлекаясь своими планами, но он руководствовался желанием превратить свой факультет в научно-исследовательский центр, который прославил бы американскую науку. И он с готовностью принял предложение Гарпера перейти в Чикагский университет.

• 8. В погоне за точностью

• Оглавление

Дата публикации:

27 октября 2003 года