Майкельсон и скорость света

Бернард ДЖЕФФ

11. Доставший звезду

Это было в 1914 году. Однажды, когда Майкельсон, как всегда один, обедал в клубе Кводрэнгл, к нему подошел Томас С. Чамберлин, профессор геологии Чикагского университета. Он был поглощен одной проблемой и хотел обсудить ее с Майкельсоном.

Сэр Джордж Дарвин создал теорию приливного происхождения системы Земля – Луна, согласно которой Луна в свое время оторвалась от Земли. Эта теория предполагала, что Земля является вязким телом. Дарвин считал, что чрезвычайно высокая температура внутри Земли поддерживает ее в полужидком состоянии. Другой же английский ученый, лорд Кельвин, доказывал, что вследствие огромного внутреннего давления планета наша – твердая, несмотря на высокую температуру в центре. Оба ученых пользовались громадным авторитетом в научном мире, но один из двоих должен был ошибаться. Возможно, в какой-то мере ошибались оба и истина находилась где-то на полпути.

Теоретические рассуждения не были достаточно убедительными, и среди ученых не существовало единого взгляда. Требовался неопровержимый эксперимент. Было проведено несколько опытов с очень чувствительным маятником, но они не дали решающих результатов. Майкельсон и Чамберлин подробно обсудили все возможности и, в конце концов, остановились на всемогущем интерферометре. Этот прибор способен определять с абсолютной точностью малейшие расстояния. Может быть, так будет найдено решение.

Из чего состоит ядро Земли?

Майкельсон поставил эксперимент совместно с двумя своими молодыми коллегами – Генри Дж. Гейлом, который помогал ему при опытах с измерением скорости света, и физиком Гарвеем Б. Лемоном. На территории Йеркской обсерватории, возле Женевского озера (штат Висконсин), на глубине 1,8 м в землю были зарыты две трубы, каждая длиной немного более 153 м и диаметром 15 см. Одна труба шла с востока на запад, другая – с севера на юг. Концы труб были закрыты стеклянными пластинками, а на месте их соединения была построена камера для наблюдений. Трубы, наполовину заполненные водой, концами выходили в отделанные бетоном шахты глубиной 3 и 2,5 м в поперечнике, в которых проводились наблюдения. На обоих концах каждой трубы помещалось по интерферометру.

Притяжение, Солнца и Луны, рассуждал Майкельсон, вызывающее всем знакомые приливы и отливы в морях и океанах, должно оказывать точно такое же действие на крошечные искусственные «моря», заключенные в эти две трубы. Степень этого притяжения будет зависеть от того, находится ли ядро Земли в твердом или в расплавленном состоянии. Если Земля не обладает твердостью, т.е. если она находится в жидком состоянии, миниатюрного прилива наблюдаться не будет совсем, поскольку притяжение Луны изменит форму Земли в такой же степени, как и форму миниатюрных морей. Если же Земля абсолютно твердое тело, то в трубах будут наблюдаться доступные измерению колебания уровня воды.

Изменения уровня воды регистрировались с помощью киноаппарата, приводимого в действие часовым механизмом, со скоростью 2,5 см в час. Для измерения величины этих колебаний использовались интерферометры. Наблюдения за сдвигами интерференционных полос проводились в разное время дня и ночи во все времена года.

Это была очень кропотливая и утомительная работа. Без конца что-то не ладилось, приходилось что-нибудь чинить, вносить изменения в приборы. Были собраны буквально горы данных. Наконец, полученные данные были переданы для отработки Форесту Л. Моултону и сотрудникам его вычислительного бюро. Результаты анализа указывали на очень незначительную вязкость Земли. На основании бесконечно малых приливов, наблюдаемых в трубах (всего несколько тысячных сантиметра в высшей точке), было вычислено, что Земля обладает примерно такой же эластичностью, твердостью и вязкостью, как сталь. Из этого следовал вывод, что ядро Земли – твердое*.

Данные о распространении упругих колебаний в Земле, возникающих при землетрясениях, свидетельствуют, что ядро Земли обладает свойствами жидкого тела, поскольку через него проходят только продольные упругие волны, но не поперечные. – Прим. ред.

Измерение диаметра сверхгигантской звезды

Исследование ядра Земли не поражало воображение непосвященных. Результаты этих исследований были опубликованы Майкельсоном и Гейлом [28] в 1919 году в четырех различных научных журналах в Америке и за границей и вскоре были забыты. Зато к концу следующего года американские газеты ошеломили всех от мала до велика подлинной сенсацией. 30 декабря 1920 года «Нью-Йорк таймс» объявила огромными буквами на первой странице: «Гигантская звезда, равная 27 миллионам наших Солнц, измерена Майкельсоном... Величайший триумф науки». Большая диаграмма показывала относительную величину небесного колосса. На следующий день газета напечатала передовую статью об этом замечательном научном достижении. Майкельсон был первым ученым в истории, которому удалось измерить угловой диаметр отдаленной звезды.

Известие, что сверхгигантская звезда Бетельгейзе (Альфа Ориона), расположенная в плече созвездия Орион (для земного наблюдателя – крохотная точка красноватого цвета, затерянная в глубинах Вселенной на расстоянии 200 световых лет), имеет диаметр, равный примерно 380 млн км, не могло не произвести впечатления. Диаметр этой звезды в 250 раз больше диаметра Солнца, и она в 1200 раз ярче. Рядом с ней наше Солнце с диаметром более миллиона километров кажется карликом. Внутри Бетельгейзе свободно разместилось бы 27 миллионов наших Солнц! Там почти хватило бы места для всей орбиты планеты Марс.

Это было действительно что-то огромное, что-то новое, доступное даже человеку, не знающему высшей математики и не умеющему мыслить абстракциями. Здесь все было конкретно и просто. Газеты печатали диаграммы относительной величины звезды Бетельгейзе. В истории науки было мало открытий, которые вызвали бы такой всеобщий и живой интерес, как это эффектное измерение. Майкельсон стал героем дня.

От исследования сокровеннейших тайников мельчайших атомов он перенесся к гигантской звезде в темном пространстве космоса. Однако это не было его первым экскурсом в область астрономии. За тридцать лет до этого, когда он состоял профессором Университета Кларка, он опубликовал в «Филозофикал мэгэзин» статью [11], в которой описал некоторые наблюдения за двойной звездой Капеллой; эти наблюдения он, по сути дела, проводил тем же методом, что и измерение звезды Бетельгейзе. Две звезды, составляющие Капеллу, находятся так близко одна к другой, что их невозможно было разрешить даже самым сильным из существовавших телескопов. Майкельсон применил свой знаменитый интерферометр, с помощью которого он надеялся измерить «истинную величину телескопических объектов, таких, как планетоиды, спутники и, возможно, звезды». На следующий год он перевез свое о6орудование в Ликскую обсерваторию на вершине горы Маунт-Гамильтон в Калифорнии; там с помощью своего ассистента Фрэнка Л. Уодсуорта и профессора Уильяма У. Кемпбелла Майкельсон измерил величину спутников Юпитера [12].

Работа по измерению звезды Бетельгейзе была предпринята по инициативе Джорджа Эллери Хэла, который в 1905 году ушел из Чикагского университета и уехал в Калифорнию. Хэл впервые встретился с Майкельсоном в 1888 году на научной конференции в Кливленде, где Майкельсон доложил о только что изобретенном им интерферометре. Позднее Хэл стал преподавать в Чикагском университете, где пробыл тринадцать лет. Он часто беседовал с Майкельсоном и имел возможность наблюдать за его работой. Он был убежден, что этот человек способен осуществить невозможное. Хэл основал солнечную обсерваторию Маунт-Вильсон и стал ее директором. Обсерватория Маунт-Вильсон обладала наиболее мощным по тем временам телескопом диаметром 2,5 м. Но даже этот гигант был бессилен определить диаметр какой-нибудь звезды. Звезды наблюдаются через телескоп в виде световых точек.

Вследствие огромных расстояний, отделяющих звезды от Земли, их невозможно увеличить до размеров диска, который был бы доступен измерению. Было рассчитано, что для измерения звезды потребуется линза или зеркало с диаметром около 6 м.

Интерферометр и телескопы

Хэл уговорил Майкельсона попытаться провести измерение звезды. Работы были приостановлены в связи с начавшейся войной, но в 1919 году возобновились. После предварительных опытов с 40-дюймовым рефрактором в Йеркской обсерватории Майкельсон и Фрэнсис О. Пиз летом 1920 года испробовали свой метод на 60- и 100-дюймовых телескопах обсерватории Маунт-Вильсон. Зеркало телескопа закрывалось светонепроницаемой крышкой, в которой были две передвигающиеся щели, и телескоп направлялся на измеряемую звезду. В окуляре наблюдателя вследствие интерференции двух диффрагированных пучков света появлялась система интерференционных полос.

При передвижении щелей система полос медленно изменялась и в какой-то момент, когда щели находились на определенном расстоянии исчезала совсем. В этой точке

α = 1,22 длины волны света от звезды / Расстояние между двумя щелями

где α – угол, стягиваемый в телескопе диаметром диска звезды. Исходя из известного расстояния от звезды до Земли, можно было вычислить диаметр звезды в километрах.

Рис. 11. Звездный интерферометр.
Схема показывает расположение интерферометра Майкельсона на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вильсон. При помощи этого аппарата Фрэнсис Дж. Пиз в 1920 году измерил диаметр звезды Бетельгейзе. Зеркала M₁ и M₄ отражали свет от звезды на зеркала M₂ и M₃, которые направляли свет в оптическую систему телескопа. Наблюдатель в точке E видел полосы интерференции. При раздвигании зеркал M₁ и M₄ видимость уменьшалась, а при некотором положении этих зеркал интерференционные полосы совершенно исчезли.

Затем был придуман еще более совершенный способ усиления 100-дюймового телескопа при помощи интерферометра Майкельсона (рис. 11). Для этого использовались два передвижных зеркала, которые можно было раздвинуть на расстояние 6 м. Перпендикулярно к трубе телескопа помещалась стальная балка длиной 6 м. Свет звезды падал на два передвижных плоских зеркала, расположенных на концах балки под углом 45°, и отражался другими зеркалами в фокус зеркала телескопа. Затем зеркала, помещенные на балке, раздвигались до тех пор, пока не исчезали интерференционные полосы. По расстоянию между двумя зеркалами можно было вычислить угловой диаметр звезды.

13 декабря 1920 года Пиз получил первый результат. Он обнаружил, что угловой диаметр звезды Бетельгейзе равен 0,047 дуговой секунды, и исходя из этого вычислил ее диаметр. Десять дней спустя он провел еще одно измерение и послал телеграмму Майкельсону, который уехал на совместную сессию Американского физического общества и Американской ассоциации содействия развитию науки. Получив это радостное известие, Майкельсон на другой же день сообщил о результатах опыта собравшимся на сессии. Королевское астрономическое общество Англии наградило Майкельсона за это достижение золотой медалью.

Пиз затем решил при помощи телескопа, снабженного интерферометром Майкельсона, измерить другие звезды. Были измерены диаметры звезд Арктур (Альфа Волопаса), Альдебаран (Альфа Тельца) и Антарес (Альфа Скорпиона). Все они оказались гигантами с диаметрами соответственно 32, 48 и 640 млн км. Эти цифры, полученные почти сорок лет тому назад, оказались довольно точными. Диаметр звезды Бетельгейзе, представляющей собой изменчивую, пульсирующую звезду, колеблется между 570 и 800 млн км. Согласно последним, наиболее надежным измерениям, диаметры Арктура, Альдебарана и Антареса равны соответственно 48, 56 и 650 млн км.

Пиз и Хэл впоследствии начали работать над созданием 54-дюймового (16,5 м) звездного интерферометра, при помощи которого они надеялись измерить менее крупные и яркие звезды.

К тому времени Альберту Майкельсону было уже семьдесят лет. В этом возрасте обычно профессора Чикагского университета уходили в отставку. Однако Совет опекунов университета приветствовал его желание работать. Было принято решение ежегодно, до тех пор, пока он сам того пожелает, оставлять его в профессуре с годовым окладом 8 тысяч долларов.

• 12. Завершение круга

• Оглавление

Дата публикации:

27 октября 2003 года