Файл: Джефф Б. Майкельсон и скорость света.pdf

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 за­ конов старой классической физики, опираясь на поня­ тия абсолютного движения материальных частиц и воз­ можных изменений в скорости света. Она всколыхнула ученый мир, но не привела к коренной ломке представ­ лений. Классические ньютоновские законы движения продолжали править миром.

Но ученых ожидало гораздо более сильное потрясе­ ние, явившееся непосредственным следствием опыта, поставленного Майкельсоном еще в 1881 году, а также огромного количества новых данных, полученных при изучении электронов, рентгеновских лучей и радиоак­ тивности. Дж. Дж. Томсон, директор Кавендишской ла­ боратории экспериментальной физики в Кембридже (Англия), обнаружил электрон и доказал электриче­ скую природу вещества. Изучение радия, открытого во Франции Пьером и Марией Кюри, показало, что элек­ троны, самопроизвольно испускаемые радиоактивными элементами, движутся со скоростью многих тысяч ки­ лометров в секунду, т. е. значительно большей, чем ра­ нее предполагали возможным. В 1901 году молодой не­ мецкий физик В. Кауфманн экспериментально доказал, что масса этого невероятно быстро движущегося элек­ трона изменяется и что ее изменения определяются ско­ ростью, с которой движется электрон. Этот эффект был аналогичен предполагаемому Фитцджеральдом. Иными словами, масса не является величиной постоянной, как считал Ньютон.

79

Эйнштейн решает загадку

Сложить воедино разрозненные части головоломки — загадочный результат эксперимента с эфиром, скорость света, абсолютное движение, изменчивость массы, при­ роду энергии и отношение между массой и энергией, — эта ^задача увлекла молодого ученого Альберта Эйн­ штейна, работавшего в то время в патентном бюро в швейцарском городе Берне. Эйнштейн родился в Гер­ мании в 1879 году, за два года до потсдамского экспе­ римента Майкельсона. Он окончил Техническую акаде­ мию 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 электроди­ намики движущихся тел. Лоренц и другие физики ис­ ходили из, казалось бы, естественного предположения о существовании абсолютного движения. С первого взгля­ да это предположение представлялось вполне разум­ ным, но Эйнштейн считал здравый смысл «скоплением предрассудков, которые в человека закладывают, пока ему еще не исполнилось восемнадцати лет». И не счи­ тал 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 обосно­ ванную теорию, которую изложил в работе, ныне изве­ стной под названием «Специальная теория относитель­ ности». В этой работе, опубликованной в 1905 году не­ мецким журналом «Дннален дер физик», Эйнштейн, которому в ту пору было двадцать шесть лет, ниспро­ верг классическую физику и революционизировал наше

8 0

представление о пространстве и времени. Его работа произвела примерно такой же переворот в физике, ка­ кой в свое время совершили труды Коперника и Нью­ тона. Он сформулировал два новых положения. Первое: скорость света постоянна в любом направлении и для любого наблюдателя и не зависит от движения источ­ ника 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 отка­ зался от идеиабсолютного движения. Определить аб­ солютное движение невозможно. В различных системах отсчета, движущихся друг относительно друга с посто­ янной скоростью, законы физики одинаковы. Движение должно быть отнесено к какому-то определенному пред­ мету или системе, например к Земле, Солнцу или ино­ му небесному телу. Для всякого наблюдателя движе­ ние— относительное, а не абсолютное явление.

По Эйнштейну термин «абсолютный» можно приме­ нить к скорости света. Скорость света — одна из немно­ гих 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 это­ го 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 примени­ мы 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 со­ вершенно иным путем, открыв новые свойства у време­ ни и пространства. Результат опыта Майкельсона и Морли совершенно правилен, поскольку в условиях это­ го 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 эйнштейнов­ ской теории относительности получили эксперименталь­ ное подтверждение. Свет — это поток энергии, а всякая энергия имеет массу; из этого вытекает, показал Эйн­ штейн, что под действием притяжения свет должен из­ гибаться. Две экспедиции, проводившие наблюдения за полным солнечным затмением 29 мая 1919 года на неболь­ шом острове Прицсипе возле западного берега Африки и в Бразилии, обнаружили, что свет не всегда распро­ страняется по прямой, как до тех пор считали. Экспеди­ ция Британского астрономического общества, возглав­ ляемая Эддингтоном, сфотографировала некоторые звез­ ды, свет которых проходил недалеко от закрытого Луной Солнца, и обнаружила отклонение света от пря­ мого пути при приближении к Солнцу. Величина откло­ нения близко совпадала с предсказанием Эйнштейна.

Проходя через сильное гравитационное поле, утвер­ ждал Эйнштейн, свет теряет энергию. Его путь искрив­ ляется и длина волн изменяется. При потере энергии длина волны света увеличивается и происходит смеще­ ние спектральных линий к красному концу. Это из­ менение цвета называется гравитационным красным смещением. Сотрудник обсерватории Маунт-Вильсон Чарльз Э. Сент-Джон сообщил о таком смещении в ли­ ниях спектра далеких звезд и приписал этот эффект действию гравитационного потенциала. Работавший в

82

той же обсерватории Уолтер С. Адамс также сообщил, что наблюдал красное смещение в свете звезды-спут­ ника Сириуса и объяснил его на основе теории Эйн­ штейна.

Эйнштейн и Майкельсон

Произведенный Эйнштейном переворот в физике в зна­ чительной мере опирался на классический эксперимент Майкельсона с эфиром. Однако нельзя преувеличивать, заявляя, как это делали некоторые, что специальная теория относительности Эйнштейна явилась в сущно­ сти 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 амери­ канского физика:

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 последовате­ лей Майкельсона — астрономы из Чикагского универси­

тета Форест Р. Моултон и Уильям Д. Макмиллан — от­ крыто выступили против нее. Эмиль Пикар, постоянный секретарь французской Академии наук, в 1922 г. заявил одному из учеников Майкельсона: «Теория относительно­ сти для меня все равно, что красная тряпка для быка». Но многие ведущие физики-теоретики приняли те­ орию Эйнштейна еще до того, как она получила оконча­ тельное экспериментальное подтверждение. Рассуждения Эйнштейна были настолько логичны, а его математиче­ ские построения столь безупречны, что они были вынуж­ дены согласиться с новыми представлениями.

Майкельсон наблюдал за борьбой мнений как бы со стороны, заняв позицию осторожного ученого, дожи­ дающегося, пока будут приведены все доводы и выслу­ шаны все стороны. Проводя свой знаменитый экспери­ мент, он и не подозревал, что подготавливает почву для теории относительности Эйнштейна с ее грандиозными последствиями. Довольно долгое время Майкельсон не­ приязненно относился к теории относительности и по­ чти никогда не упоминал о ней в своих лекциях и вы­ ступлениях. Казалось, ему было жаль расставаться с классическими законами и привычными понятиями. Впрочем, он признавал, что математические уравнения, возможно, верны, поскольку на их основании непости­ жимым образом делаются правильные предсказания. Но ход рассуждений Эйнштейна был не вполне понятен.

В математике Майкельсон чувствовал себя не слиш­ ком уверенно. В сущности, он был физиком-эксперимен- татором, а в его время математический багаж даже неплохого физика-теоретика был, по нашим меркам, не­ достаточным. Теория относительности, а позднее кван­ товая теория заставили физиков заняться более углуб­ ленным изучением математики. Майкельсон имел слиш­ ком поверхностное представление о математике, чтобы

8 4

понять общую теорию относительности. Он мыслил по­ нятиями физических моделей, а не математическими абстракциями. Он, как никто, умел свести сложное уравнение к какому-нибудь простому положению. Од­ нажды 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 по­ лучен неверный. Он оказался прав, и Моултону при­ шлось решать уравнение заново.

Майкельсон остался в стороне от новой физики, при­ менявшей 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 теоретиче­ ской физики, создававшей новые представления о вре­ мени, 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, превосходя­ щей плотность воды в тридцать тысяч раз»,— начал объяснять Андерсон. «То есть превосходящей плот­ ность свинца?»—спросил Майкельсон. И, когда Андер­ сон 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, ко­ торое 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 созда­

85

нием циклотрона — первого ускорителя заряженных ча­ стиц. Разговаривая с Лоуренсом о его замыслах, ста­ рый ученый даже не пытался скрывать, что не знает теоретических положений, из которых тот исходит. Это произвело на Лоуренса огромное впечатление. Когда еще студентом Р1ельского университета он впервые при­ ступил к научным исследованиям, он сомневался в сво­ ей 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 представляет­ ся, рассуждал он. Девять лет спустя Лоуренсу была при­ суждена Нобелевская премия.

Живучий эфир

Эксперименты с эфирным ветром, проведенные Май­ кельсоном в 1881 и 1887 годах, стали приобретать осо­ бое значение после того, как Фитцджеральд выдвинул в 1893 году свою гипотезу, и особенно после опублико­ вания; в 1905 году теории относительности. Но некото­ рые ученые продолжали сомневаться в достоверности результатов этих опытов. Они никак не хотели прими­ риться с тем, что этими опытами сказано последнее сло­ во в великом научном споре. Им казалось, что незначи­ тельные расхождения в скорости света, время от време­ ни наблюдавшиеся Майкельсоном и Морли, указывали на возможность гораздо более существенных отклоне­ ний, которые они не сумели уловить.

Наиболее упорным из скептиков был профессор Ин­ ститута Кейса Дейтон С. Миллер. Крупный физик, член Национальной Академии наук, он был одно вре­

86

опыт с эфирным ветром. Их содружество продолжалось

восемь лет.

Для проведения этого нового эксперимента были приняты дополнительные меры предосторожности про­ тив возможных погрешностей и введены некоторые из­ менения в конструкцию прибора. Лорд Кельвин выска­ зал предположение, что на результаты опыта может оказать влияние материал, из которого изготовлен при­ бор. В связи с этим камень был заменен деревянным каркасом из белой сосны. Позднее от сосны также отка­ зались, и прибор в окончательном виде состоял из плавающего в ртути огромного стального креста с длиной плеча почти 5 м. Для большей точности путь, проходи­ мый светом, был также увеличен. Прибор был установ­ лен в той же подвальной лаборатории в Кливленде. После многочисленных опытов Миллер и Морли нако­ нец получили значение, намного превосходящее те не­ большие отклонения, которые наблюдал Майкельсон и которые он приписывал различным погрешностям. Во­ одушевленные успехом, они решили продолжать опыты.

На следующий год прибор перенесли в сарай, стояв­ ший на холме (примерно 100 м над уровнем озера Эри), чтобы узнать, окажет ли какое-нибудь влияние на ре­ зультаты опыта изменение внешней среды. На этот раз наблюдался еще больший сдвиг интерференционных полос, чем в предыдущих опытах. После этого содруже­ ство Морли и Миллера распалось. Миллер решил про­ должать поиски более убедительных доказательств су­ ществования 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 ис­ следования и снова вернулся к ним в 1925 году. На

87

этот раз он перенес свой прибор на вершину горы Ма- унт-Вильсон в Калифорнии (1800 м над уровнем моря). Вместо стального креста он использовал цементный, по­ лагая. что сталь препятствует получению желаемых результатов. Проведя тысячи наблюдений, Миллер объ­ явил, что разница в скорости распространения света в направлении движения Земли вокруг Солнца и под уг­ лом 90 градусов к нему составляет 10 о 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 опреде­ лению влияния вращения Земли вокруг своей оси на скорость света, а также классический эксперимент Май­ кельсона— 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 до­ бавил из личных средств еще 491 доллар 55 центов. 1 енри Дж. Гейл, профессор физики Чикагского универси­ тета, и техник Фред Пирсон помогали Майкельсону из­ мерять скорость света, проходящего через трубу, из которой был частично выкачан воздух. Диаметр трубы был равен 30 см, и она была сварена в виде прямо­ угольника размером 600 л на 30 ж [32].

Во втором опыте был использован старый прибор из эксперимента с эфирным ветром, в который внесли не­ которые изменения. Например, уже не нужно было хо­ дить вслед за вращающейся каменной плитой — наблю­

88