Файл: Джефф Б. Майкельсон и скорость света.pdf

датель помещался на сиденье, приделанном к аппара­ ту, и, таким образом, мог проводить наблюдения с большими удобствами. По-иному были расположены и оптические приборы. Все оборудование было перевезе­ но 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, ас­ пирант Университета Джонса Гопкинса, повторил опыт Майкельсона в лаборатории Норман Бридж при Ка­ лифорнийском технологическом институте. Он видоиз­ менил опыт очень хитроумным способом, обеспечив еще большую точность результатов. Сообщение о своей ра­ боте 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 произве­ ла 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».

89

На той же конференции было зачитано еще несколь­ ко докладов. Так, еще один молодой физик повторил опыт в том же подвале в Пасадене. Его результаты со­ впали с результатами Кеннеди. Тем временем швейцар­ ский физик Аугуст Пиккар при помощи специального малогабаритного интерферометра, подвешенного к воз­ душному шару, проделал измерения на высоте пример­ но 2,5 км над земной поверхностью. Интерференцион­ ные полосы автоматически фотографировались на дви­ жущуюся пленку, в то время как воздушный шар равномерно вращался с помощью маленьких пропелле­ ров. Когда воздушный шар приземлился и пленку вни­ мательно изучили, результат оказался тот же — нуль.

Однако поиски эфирного ветра на этом не кончи­ лись. Появился ряд новых исследователей, вооруженных более совершенной техникой. В 1948 году Луи Эссен, сотрудник английской Национальной физической лабо­ ратории, поставил опыт с вновь изобретенным прибо­ ром, основной частью которого был так называемый по­ лый 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 ис­ пусканием излучения). Прибор этот был создан в Ко­ лумбийском университете Чарльзом X. Таунсом '.1

1 Молекулярный генератор одновременно и независимо был создан советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым.—

Прим. ред.

90

7

ДОЛГОВЕЧНЕЕ МЕТАЛЛА

Описывая деятельность ученых, которые, подобно Майкельсону, отличались необыкновенной разносторон­ ностью и огромной работоспособностью (каждое столе­ тие рождает несколько таких людей), трудно сохранить хронологическую последовательность и четко провести границы между отдельными исследованиями. Может показаться, что опыты Майкельсона с измерением ско­ рости света и с эфиром были столь серьезными и трудо­ емкими, что никакой другой работой он уже не мог за­ ниматься. 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

92

неизменная длина световых волн могла бы послужить единым мировым эталоном длины. И Майкельсон пер­ вый попытался осуществить эту мысль.

Севрский брус

За несколько лет до этого была созвана Международ­ ная конференция по мерам и весам, чтобы положить конец хаосу, царящему в измерительных системах раз-“ ных стран. Представители тридцати стран, включая Со­ единенные Штаты, собрались во французском городе Севре. В результате этой конференции было создано Международное бюро мер и весов и метрическая систе­ ма объявлена стандартной. Эталоном длины в метриче­ ской системе является брус, сделанный из сплава пла­ тины и иридия, длина которого несколько больше метра и который хранится в Севре в строго охраняемом под­ вале Международного бюро мер и весов, где поддержи­ ваются постоянными температура и давление. На этом брусе нанесены два штриха. Расстояние между ними, из­ меренное при температуре 0° Цельсия и при давлении 760 мм рт. ст., является эталоном длины — метром. Предполагалось, что метр составляет одну сорокамил­ лионную часть меридиана, проходящего через Париж. На самом же деле многочисленные измерения этого ме­ ридиана, 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, храня­ щийся в Севре, может быть, конечно, поврежден и даже потерян и уж во всяком случае может измениться со временем. У Майкельсона появилась смелая мысль

93

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 све­ та, т. е. света, имеющего определенную длину волны. Этот новый эталон будет свободен от недостатков ме­ таллического бруса. Его можно будет воспроизвести почти в любом месте и в любое время на основании точ­ ных измерений, которые ученые любой страны мира смогут осуществить с помощью интерферометра. Кроме того, длина волны монохроматического света, выбран­ ного с учетом всех требований, будет неизменной и веч­ ной. Майкельсон писал: «Свойства атомов, испускаю­ щих это излучение, едва ли могут измениться даже через несколько миллионов лет, а если это и произой­ дет, то к тому времени — юмористически добавил он,— человечество, возможно, потеряет интерес к этой про­ блеме».

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 ставце небольшую щель, через которую прохо­ дило бы достаточно солнечного света, он поместил у са­ мой щели призму, преломись 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

94

солнечней свет. Это был первый дошедший до нас опыт, когда был продемонстрирован состав белого света.

О результатах опыта Ньютон сообщил в своей пер­ вой научной работе, опубликованной в 1672 году в «Транзекшнс оф Ройал Сосайети». Она вызвала ожесточен­ ные споры.

против спектральной теории, называя ее «искусственной гипотезой, которую должны развеять, как дым, точное наблюдение и трезвое мышление».) Ньютон, очень бо­ лезненно переживавший эти нападки, чуть не забросил свои опыты. «Меня вконец изводили споры с противни­ ками моей теории,— писал он,— и я ругал себя за то, что столь опрометчиво пожертвовал драгоценным спо­ койствием духа в погоне за тенью».

Молодой Ньютон объяснял свой классический экспе­ римент следующим образом: белый солнечный свет со­ стоит из света различных цветов, каждый из которых имеет свой собственный показатель преломления. По­ падая на призму, солнечный свет преломляется дваж­ ды— входя в призму и по выходе из нее.- Эти два пре­ ломления 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

95

преломление. Красный свет, имеющий наибольшую дли­ ну 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 прости­ рается от радиоволн очень большой длины до ультра­ коротких гамма-лучей.) Различие в преломлении, соз­ дающее спектр, объясняется различием в скоростях рас­ пространения волн разной длины. Когда солнечный свет входит в стеклянную призму, там начинается нечто вро­ де гонки, в результате которой и происходит разделение цветов.

Примерно через двести лет после эксперимента Нью­ тона, когда Майкельсону было семь лет, два немца — Роберт Бунзен и Густав Р. Кирхгоф—изобрели новый оптический инструмент, получивший название спектро­ скопа. Основной частью этого инструмента была стек­ лянная призма Ньютона. С изобретением спектроскопа

щиеся тела, такие, как Солнце, имеют непрерывный спектр; другие же, как, например, раскаленный газ или пар,— прерывистый, или линейчатый спектр. Раскален­ ный пар каждого химического элемента дает свою соб­ ственную характерную цветную линию или систему ли­ ний, которые определяются движением электронов дан­ ного 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, состоя­ щий из ряда четких цветных линий, относительно далеко расположенных и легко отличимых одна от другой.

96

В поисках спектрального эталона

Анализ тонкой структуры некоторых спектральных ли­ ний был нелегким делом, требующим от эксперимента­ тора большого искусства. Майкельсон первый обнару­ жил, что красная линия водорода на самом деле со­ стоит из двух линий, отделенных расстоянием примерно в одну шестидесятую расстояния между яркими желты­ ми линиями парообразного натрия.

Приступая к поискам нового эталона длины, Май­ кельсон прежде всего задался вопросом, какой выбрать для этого элемент. Он испробовал несколько элементов и, наконец, остановился на одной из четких линий нат­ рия. 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 челове­ ком в своем городе — честь, которая в то время выпа­ дала на долю ученых еще реже, чем теперь. Кроме того, он был вице-президентом Американской ассоциации содействия развитию науки и председателем ее Физиче­ ского отделения. Но он не был доволен своей жизнью в Кливленде. Помимо всего прочего, у него уходило слиш­ ком 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. Пос­ ле окончания занятий летом 1889 года он ушел из Ин­ ститута, Кейса во вновь созданный Университет Кларка в Вустере (штат Массачусетс).