Майкельсон и скорость света

Бернард ДЖЕФФ

8. В погоне за точностью

Получив отпуск в Чикагском университете, Майкельсон провел несколько месяцев в Европе. Первое его публичное выступление по возвращении могло бы недальновидным людям показаться малообещающим. В своей речи на церемонии открытия физической лаборатории Райерсона в Чикаго в 1894 году Майкельсон заявил, что разделяет точку зрения на будущее науки, высказанную английским ученым лордом Кельвином. Лорд Кельвин, несомненно, был выдающимся физиком, но с годами у него появилась склонность встречать в штыки любые новые взгляды и веяния в науке. Приведенное Майкельсоном высказывание сводилось к тому, что все великие открытия в физике, по-видимому, уже сделаны и дальнейший прогресс ограничится изобретением тонких инструментов, способных осуществлять измерения с точностью до шестого десятичного знака! Прогноз оказался, мягко говоря, неточным, что, впрочем, впоследствии признавал сам же Майкельсон.

Репутация крупного ученого избавила Майкельсона в Чикаго от утомительной рутины. Его интересовала исследовательская деятельность, а не прикладная физика. «Непосвященный, – писал он однажды, – особенно деловой человек, от поддержки которого мы, к сожалению, зависим, придает основное значение практической пользе научного исследования, нимало не заботясь о том, что истинная причина, побуждающая ученого к работе, – это любовь к исследованиям как к таковым».

Майкельсон читал две лекции в неделю и проводил одно семинарское занятие. Часть аспирантов восхищалась его «блестящей логикой, ясным и изящным изложением», других же тяготил его, как они выражались, «дар молчания», они считали его слишком сухим и необщительным. И тем и другим его курс давался нелегко. Он включал звук, электричество и, разумеется, оптику. Термодинамику Майкельсон не читал.

Родной стихией Майкельсона была лаборатория, а не лекционный зал. Исследования, проведенные им в первые годы пребывания в Чикаго, принесли ему международную славу еще в одной области физики. Работа по разделению тонких спектральных линий, проделанная им во время поисков нового эталона длины, породила в нем стремление достичь еще более тонкого разрешения. Точность разрешения тесно расположенных линий с помощью спектроскопа была ограничена. Разрешающая способность возрастала с увеличением размера призмы. Однако в это время появился новый прибор гораздо большей разрешающей способности.

Первые диффракционные решетки

О существовании спектральных линий, – светлых (в спектрах испускания) или темных (в спектрах поглощения), но всегда занимающих строго определенное положение, было известно уже более ста лет, и они являлись предметом систематического изучения с 1814 года, когда баварский оптик Джозеф Фраунгофер насчитал в спектре солнечного света 576 темных линий (с тех пор их насчитали до нескольких тысяч). Наиболее характерные из «их, ныне называемые линиями Фраунгофера, он обозначил буквами латинского алфавита. Проведя множество тончайших измерений, Фраунгофер нашел длины световых волн, соответствующие темным линиям в спектре.

Еще в 1752 году шотландский физик Томас Мелвилл обнаружил, что спектры раскаленных паров или газов, получаемые путем преломления в призме, совершенно непохожи на непрерывный радужный спектр солнечного света. Пары и газы, которые он получал, помещая различные вещества в пламя, давали на экране яркие пятна. Последующие исследователи пропускали свет от раскаленных паров или газов сквозь щель, а не сквозь круглое отверстие, которым пользовался Мелвилл, и увидели, что их спектры состоят из четких ярких линий или широких ярких полос. Один и тот же газ или пар всегда давал определенные линии или полосы, занимавшие одно и то же положение в спектре.

Было обнаружено также, что раскаленное твердое тело, в отличие от светящихся паров или газов, дает непрерывный спектр, отличающийся от спектра солнечного света лишь тем, что в нем отсутствуют линии Фраунгофера. Все эти эксперименты указывали на наличие какой-то связи между светлыми и темными линиями спектра; характер этой связи был выяснен только в 1859 году Густавом Ф. Кирхгофом, которому удалось получить темные линии в лабораторных условиях.

В опыте Кирхгофа свет от раскаленного твердого тела пропускался через камеру, содержащую пар или газ, а затем сквозь щель и призму проектировался на экран. На экране появлялся спектр с темными линиями. Расположение темных линий было неизменным для данного пара или газа. Кирхгоф пришел к выводу, что пар или газ поглощает из проходящего через него белого света волны только определенной длины. Он обнаружил также, что когда свет пропускался через пары натрия, некоторые темные линии спектра занимали точно то же положение, что и светлые линии, получаемые от раскаленных паров натрия в качестве источника света. Он решил, что газ или пар поглощает свет определенных длин волн, тех же самых, которые он испускает при нагревании.

Отсюда вытекало объяснение линий Фраунгофера: газы в атмосфере Солнца и Земли поглощают лучи солнечного света определенных длин волн.

Изучая темные линии, Фраунгофер сделал еще одно открытие – очень тонкие параллельные штрихи, нанесенные на стекло, разлагают свет на спектр, подобно призме. Будучи чрезвычайно изобретательным и искусным техником, Фраунгофер построил машину, при помощи которой смог нанести 4000 штрихов на полдюйма поверхности стекла.

Так была создана диффракционная решетка – одно из бесценных орудий физика. Такая решетка из тщательно отшлифованного металла или покрытого алюминием стекла обладает гораздо большей разрешающей способностью, чем призма, особенно для красной части спектра.

В 1870-х годах нью-йоркский астроном-любитель Льюис М. Рутерферд изготовил прибор для нанесения близко расположенных параллельных штрихов.

С помощью этого прибора, одной из основных деталей которого был очень точный винт, он изготовил диффракционную решетку размером 5 см, на которую было нанесено 35 000 штрихов.

По своей разрешающей способности эта решетка превосходила лучшие призмы, существовавшие в то время. Однако по современным понятиям штрихи на решетках Рутерферда были нанесены недостаточно точно.

Затем на сцену выступил сын пенсильванского священника Генри А. Роуланд. В возрасте двадцати лет он писал: «Я намерен посвятить свою жизнь науке. Если она даст мне богатство, я приму его, как дар друга, но, если и не даст, я не буду роптать».

В 1870 году он окончил Политехнический институт Ренсселэра в городе Троя (штат Нью-Йорк). Позднее, будучи первым профессором физики в Университете Джонса Гопкинса, он поставил себе задачу усовершенствовать диффракционную решетку. Он предугадывал огромные возможности этого инструмента. С помощью механика Теодора Шнейдера он построил первую штриховальную машину современного образца. Она наносила от 14 000 до 20 000 штрихов на дюйм поверхности зеркального металла или вогнутого стекла, причем расстояния между штрихами были гораздо равномернее, чем в ранее изготовленных решетках.

Эти великолепные решетки давали гораздо лучшую разрешающую способность, и Роуланд изучил солнечный спектр значительно более подробно, чем кто-либо до него. Затем он построил еще две штриховальные машины, при помощи которых удалось создать диффракционную решетку размером 6 дюймов (15 см). Это было шагом вперед в спектроскопии, поскольку новая решетка позволяла уточнить длины световых волн, в частности получить гораздо более высокое разрешение спектров звезд, сфотографировать эти спектры и подвергнуть их тщательному анализу.

В 1881 году Роуланд поехал в Европу, чтобы сделать там сообщение о разработанной им новой технике обработки диффракционных решеток. Его выступления в Париже и Лондоне произвели огромное впечатление. В это время Майкельсон тоже находился в Европе и был занят проблемой эфира, однако точнейшие диффракционные решетки Роуланда поразили и его воображение.

Майкельсон подошел к проблеме лучшего разрешения спектральных линий [14, 18] (характерно, что в это время он занимался и другими исследованиями) несколько иначе, чем Роуланд. Он заинтересовался открытым незадолго до этого явлением, получившим название эффекта Зеемана. Профессор Лейденского университета Питер Зееман обнаружил, что спектральную линию можно расщепить, если поместить источник света в магнитное поле. Майкельсон начал исследовать явление Зеемана в 1895 году, а три года спустя он изобрел усовершенствованный спектроскоп, принцип устройства которого был очень прост, но построить который было весьма сложно.

В этом приборе не было ни призмы, ни диффракционной решетки. Вместо одной стеклянной пластинки, на которую нанесены штрихи, Майкельсон применил стопку пластинок точно одинаковой толщины. Расположил он их в виде ступенек лестницы (отсюда и название прибора – эшелонный спектроскоп) [19]. В этом приборе еще раз проявился изобретательский гений Майкельсона.

Казалось бы, такая напряженная исследовательская работа не оставляла времени еще для каких-либо занятий, но Майкельсон весной 1899 года получил предложение прочесть цикл лоуэлловских лекций в Бостоне и съездил в Европу. Учрежденные еще в 1839 году Институтом Лоуэлла ежегодные лекции были событием в мире науки, и любой ученый считал для себя честью получить предложение их прочитать. Темой своих лекций Майкельсон избрал «Световые волны и их применение». Бостонцы произвели на него самое благоприятное впечатление. «Упреки бостонцам в недостатке радушия, – писал он президенту университета Гарперу, – чистейшая клевета».

Затем Майкельсон ненадолго поехал в Англию. В Кембриджском университете состоялась церемония присвоения ему почетного звания доктора наук. Когда он вернулся, Гарпер попросил его подготовить свои оптические приборы для экспонирования на предстоящей Всемирной выставке в Париже. Это поручение не было интересным, и Майкельсон согласился с большой неохотой. В Париж были отправлены интерферометр, эшелонный спектроскоп и новый гармонический анализатор.

Майкельсон создал гармонический анализатор – еще одно свидетельство его разносторонности – с помощью аспиранта Сэмюэля У. Стрэттона. Этот прибор давал возможность анализировать сложные интерференционные картины, включающие сложные гармонические колебания. Машина упрощала вычисления при разложении сложных кривых на совокупность простых синусоид. Гармонический анализ применяется также в исследованиях музыкальных звуков, переменного электрического тока, движений приливов и отливов и в метеорологии.

Президент Гарпер посетил Парижскую выставку летом 1900 года и вернулся оттуда в большом огорчении. Приборы Майкельсона даже не были распакованы. Он немедленно отправил в Париж Роберта А. Милликена, поручив ему распаковать экспонаты и найти для них место на стенде. В результате Чикагский университет получил за эти экспонаты «Гран при». Когда Майкельсон, отдыхавший в это время в Вудс Хоуле, узнал приятную новость, он написал Гарперу: «Я искренне Вам благодарен за все, что Вы сделали, и признаю, что Вы поступили мудро, добившись, отправки приборов, несмотря на все трудности, в том числе и на мои возражения...»

Самая совершенная диффракционная решетка

Покончив со всеми этими делами, отвлекавшими его от исследований, Майкельсон смог теперь сосредоточиться на проблеме создания машины для нанесения штрихов на диффракциошше решетки. Для этой работы ему требовались значительные средства, и он счел необходимым поставить в известность Гарпера.

«...За последние десять лет, – писал он, – спектроскопия добилась замечательных успехов, и есть все основания предполагать, что усовершенствование основного элемента спектроскопа – «решетки» – даст возможность раскрыть новые секреты лаборатории Природы. Сейчас я работаю преимущественно над созданием и усовершенствованием именно этих диффракционных решеток.

Процесс изготовления решетки состоит в нанесении (алмазным резцом) на оптически безукоризненную металлическую поверхность чрезвычайно тонких штрихов, и основная сложность заключается в том, что винт, который сейчас изготовляют в моей мастерской, должен обладать необыкновенной точностью».

Винт – это сердце всей штриховальной машины. Он должен с чрезвычайной точностью отмеривать расстояние от одного штриха до другого.

Майкельсон мечтал, что Чикагский университет станет мировым центром спектроскопии, и не жалел сил для достижения этой цели. Аспиранты редко оказывали ему серьезную помощь в его исследованиях, но у него в штате всегда состояли высококвалифицированный конструктор и мастер-механик. Обычно он сначала долго вынашивал мысль в голове. Тщательно все обдумав, он делал черновой чертеж и звал мастера. Его указания всегда были в высшей степени ясными и определенными, и он требовал, чтобы прибор был изготовлен безукоризненно.

В 1905 году, после шести лет упорного труда, Майкельсон приступил к штрихованию новой решетки [22] своей собственной машиной, представлявшей собой усовершенствованный вариант машины Роуланда. Работа велась в комнате, где поддерживалась постоянная температура. Помещалась она в подвале физической лаборатории Райерсона. Всего на решетку размером 15 см было нанесено 110 000 штрихов. С такой решеткой он мог получить разрешение спектральных линий, которое давала бы призма с длиной стороны 10 м. Хотя достижение было огромным, он не остановился на этом.

Ухватившись, по выражению Милликена, «за хвост медведя», он никак не желал его выпускать. (Его первая машина была передана Массачусетскому технологическому институту и реставрирована в 1948 году.)

Майкельсон потратил еще десять лет на создание второй штриховальной машины, еще более фантастических возможностей, и при ее помощи изготовил диффракционную решетку размером 20 см, а затем решетку размером 24 см, которая и поныне остается самой широкой из когда-либо изготовленных диффракционных решеток.

На нее нанесено 117 000 штрихов, и она является величайшим человеческим достижением в этой области механики.

За те многие годы, что он потратил на создание точнейших штриховальных машин и спектроскопов, на пути Майкельсона вставало множество трудностей. Трение, вибрация, перекосы, ползучесть, износ частей, изменения температуры и даже пыль – все точно сговорилось отравлять жизнь ему и его технику. В погоне за совершенством они пытались осуществить почти неосуществимое, добиваясь, чтобы штрихи, едва различимые даже в микроскоп, были обязательно одинаковы по ширине, глубине и длине, чтобы все расстояния между ними были абсолютно точно равны между собой, а сами штрихи безукоризненно параллельны. Чтобы исправить одно неточное движение, часто требовалось несколько недель работы.

«Когда скопление трудностей начало казаться непреодолимым, – писал однажды Майкельсон, – была создана совершенная машина, проблема объявлена решенной и радостное событие отмечено всеобщим ликованием, а на следующем же испытании оказалось, что надо все начинать сначала». Майкельсон даже стал относиться к этим машинам, как к разумным существам. «Я чуть было не сказал, как к женщине, к которой нужно подлаживаться, которую нужно уговаривать, умасливать, которой иногда не грех и пригрозить. Потом пришло сознание, что машина напоминала скорее ловкого и умелого игрока в какую-то сложную, но увлекательную игру, игрока, который немедленно воспользуется любой ошибкой противника, который «ошарашит» его самым неожиданным сюрпризом, который никогда не полагается на случай, но вместе с тем играет честно, ни на йоту не отступая от известных ему правил, но и не делая никаких скидок на то, что вы этих правил не знаете. Когда вы сами научитесь играть по этим правилам, игра будет протекать так, как ей положено».

Джулиус Пирсон, который, как и его брат Фред, проработал у Майкельсона четверть столетия в качестве техника, вспоминал, что Майкельсон зачастую вроде бы и не проявлял особого усердия в работе. Но если происходила какая-то заминка, он работал неустанно, с неослабевающим упорством, пока не устранял ставшее на его пути препятствие. А потом он снова работал не спеша.

Майкельсон не имел обыкновения восторгаться собственными достижениями или впадать в лирические излияния, но, выступая на съезде Американской ассоциации по содействию развитию науки в 1911 году, он говорил о новых спектроскопических инструментах почти языком поэта:

«Послания, которые мы получаем из глубины звездного мира или от электрической дуги в нашей лаборатории, независимо от того, доходят ли они до нас за миллионную долю секунды или за сотни световых лет, являются достоверными сообщениями о событиях, имеющих глубочайшее значение для человечества. Они доходят до нас в виде шифра – на языке, который мы только начинаем понимать. Наш долг – научиться получать и записывать эти сообщения. Когда новый Кеплер или Ньютон расшифрует их, нам откроются чудеса, для понимания которых потребуется величайшее напряжение нашего интеллекта».

Майкельсон дожил до начала эпохи этих великих открытий. При помощи современного мощного спектрографа, основанного на диффракционных решетках, были раскрыты сокровеннейшие секреты атома, и перед человеком развернулась величественная картина эволюции элементов.

Спектрограф дал представление о структуре природы, начиная с простейшего протона и кончая самыми сложными трансурановыми элементами. Диффракционные решетки помогли также разгадать многие тайны органической жизни. И, наконец, эти решетки принесли астрономам в Маунт-Вальсон, Паломар и других величайших обсерваториях мира сведения о строении грандиозной и бескрайней Вселенной.

• 9. Человек

• Оглавление

Дата публикации:

27 октября 2003 года