Файл: Джефф Б. Майкельсон и скорость света.pdf

месяца, он подал прошение об отставке. Решиться на это ему помогло предложение, полученное от только что учрежденной Школы Кейса. Ему предложили пост про­ фессора физики и средства на приобретение оборудова­ ния для его будущей лаборатории. Кроме того, ему был гарантирован оплаченный отпуск на 1881— 1882 учебный

^ г о д для продолжения научных занятий в Европе.

Гюйгенс и Ньютон об эфире

Пребывание в,Европе и встречи с крупнейшими физи­ ками того времени будили мысль. Майкельсон стал все чаще задумываться над основным вопросом теории света, что ни день приобретавшим все большее значение для физики. В те времена полагали, что свет распро­ страняется в «светоносном эфире», который заполняет все пространство и обладает некоторыми свойствами твердого тела, жидкости и газа, не являясь ни одним из них. Однако существует ли этот «светоносный эфир»? Можно ли экспериментально доказать или опровергнуть его существрвание? Это была проблема чрезвычайной важности и сложности, а Майкельсона всегда привлека­ ли сложные проблемы.

Понятие эфира зародилось в то время, когда ученые впервые попытались осмыслить природу света. Автором первой эфирной теории света был голландский матема­ тик, астроном и физик Христиан Гюйгенс, который в 1678 году сделал сообщение об этом во французской Академии наук. Согласно теории Гюйгенса, светящееся тело, например Солнце или пылающий факел, порож­

47

уже установили, что колебания некоторых материаль­ ных предметов, например куска металла или даже атмосферных газов, порождают звук. Например, коле­ бания, вызванные звоном колокола, распространяются во все стороны, как круги по воде от брошенного ка­ мешка. Если бы ударили по колоколу, находящемуся в вакууме, где нет воздуха, в котором распространялись 41 бы колебания, то не было бы и звука. То же происходит и со светом,— говорил Гюйгенс. Однако он признавал, что со светом дело обстоит сложнее. Свет может рас­ пространяться и в вакууме, хотя там, казалось бы, нет материальной среды, способной передавать гипотетиче­ ские волны Гюйгенса. Что же их передает?

Эфир,— отвечал Гюйгенс. Эфир — это та среда, кото­

философы при помощи эфира объясняли движение пла­ нет и других небесных тел; они различали несколько эфиров, занимающих разное положение в пространстве. Аристотель узаконил это понятие и считал его чем-то вроде пятого элемента. «Земля окружена водой,— писал он,— вода — воздухом, воздух — эфиром. Дальше нет ничего».

Исаак Ньютон почти сорок лет ставил опыты и размышлял над природой света. В 1704 году он опубли­ ковал капитальный труд, где дал объяснение многих оптических явлений. Его книга называлась «Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света». В отличие от его знаменитых «Начал», написанных на латинском языке и предназначавшихся для специалистов, эта книга была написана на англий­ ском языке в увлекательной и доходчивой форме и содержала огромный экспериментальный материал.

48

Будучи в глубине души атомистом, Ньютон, подобно некоторым древним ученым, считал, что свет состоит из мельчайших частиц, или «корпускул», испускаемых источником света. Частицы эти слишком малы, чтобы их можно было увидеть или измерить, но тем Не менее эта теория давала возможность объяснить многие све­ товые явления — прямолинейное распространение света, отражение от плоскостей, преломление на границе двух сред разной плотности, поглощение света и его дав­ ление.

Однако и сам Ньютон сознавал, что его корпуску­ лярная теория не объясняет всех световых явлений. Она не объясняла интерференцию. Это то явление, которое происходит при сложении нескольких волн: колебания усиливаются, или ослабляются, или совсем затухают. (К явлению интерференции мы еще вернемся.) Ньютон сам ввел понятие «эфирных волн» и выразил мнение, что для объяснения световых явлений требуются обе теории — и корпускулярная и волновая. Ньютон безого­ ворочно признавал понятие эфира, считая предположе­ ние о возможности воздействия на расстоянии одного тела на другое в вакууме без посредства чего-либо еще страшным абсурдом, которого не может принять ни один человек, «наделенный способностью к последовательному философскому мышлению».

Итак, в течение многих столетий отрицать эфир счи­ талось столь же нелепым, как отрицать то, что без воды суда не смогли бы плавать по океану. Какова бы ни была его природа, эфир, по убеждению ученых, напол­ нял собой все пространство, пронизывая всякое веще­ ство, даже проникая между атомами твердых веществ. Однако признание необходимости эфира не исключало споров о его' природе. Эфир имеет свойства твердого тела большой упругости, говорили одни. Он тонок и

разрежен, утверждали другие. Третьи отмечали, что в разных случаях и в разных условиях эфир, как сапож­ ный вар, меняет свои свойства. К последним принад­ лежал и Майкельсон.

Можно ли обнаружить эфир?

Свойства света и в самом деле были таковы, что их не представлялось возможным объяснить, не предполагая существования какой-то среди, способной передавать волновое излучение за миллионы Километров, не ослаб­ ляя первоначальной энергии. Но существует ли эфир на самом деле? Над этой проблемой задумался Майкель­ сон. Может ли ученый в лаборатории либо доказать существование этого теоретического призрака, так кста­ ти выдуманного для разрешения научных дилемм, либо удостовериться, что его не существует? Может быть, это просто физическая фикция, без содержания и формы? Или, как предположил англичанин лорд Солсбери, лишь существительное от глагола «колебаться»?

Если же этот таинственный эфир действительно существует, то неподвижен ли он? Или, как считают не­

сторонников теории неподвижного эфира был француз Огюстен Френель {1788— 1827), блестящий ученый, ко­ торый свел экспериментальные данные о свете в мате­ матически обоснованную волновую теорию света и дока­ зал поперечный характер световых волн. (У попереч­ ных волн колебания направлены под прямым углом к направлению распространения волны. Примером попе­ речных волн являются волны на поверхности воды, а

50

также волны, пробегающие по веревке, когда дергают за один ее конец.) Многие были склонны поддерживать теорию неподвижности эфира, потому что он представ­ лял ту систему отсчета, относительно которой можно было регистрировать абсолютное движение, в отличие от относительного движения. Термин «абсолютный» означал качество, остающееся фактом, безотносительно к положению наблюдателя во Вселенной. Абсолютна ли скорость света? Одинакова ли она, так сказать, для любого наблюдателя независимо от положения источ­ ника света или наблюдателя?

На этот вопрос надо было найти неопровержимый ответ. Это была проблема космического масштаба, из которой вытекали выводы исключительной важности.

Великий Клерк Максвелл писал в статье об эфире для девятого издания Британской Энциклопедии: «Если бы можно было измерить скорость света по времени, которое ему требуется, чтобы пройти расстояние между двумя точками на поверхности Земли, а потом получен­ ные данные сравнить со скоростью света в обратном направлении, то мы смогли бы определить скорость дви­ жения эфира относительно этих двух точек».

В письме, опубликованном в английском научном журнале «Нэйчур» незадолго до смерти,. Максвелл выразил сомнение, что человеку когда-либо удастся най­ ти ответ на этот вопрос. Возможно, что Майкельсон чи­ тал это письмо; во всяком случае проблема по-прежне­ му оставалась неразрешенной. Найти ответ на этот во­ прос стало для него навязчивой идеей.

Может показаться, что со стороны молодого амери­ канца было самонадеянным предполагать, что ему удастся подобрать ключ к проблеме, над которой без­ успешно бились более опытные европейские ученые, но задуманный им эксперимент был, в сущности, довольно

прост. Его натолкнула на это мысль, высказанная од­ нажды известным английским ученым сэром Оливером Лоджем: «Глубоководная рыба, по всей вероятности, не подозревает о существовании воды, ибо она окружена ею одинаково со всех сторон; таково же наше положе­ ние в отношении эфира».

Рассуждения Майкельсона шли следующим путем. Предположим, что эфир — это нечто материальное, что окружает Землю и пронизывает все сущее на ней. Пред­ положим далее, что этот эфир неподвижен. Тогда на­ блюдатель, находящийся на поверхности Земли и несу­ щийся вместе с ней в пространстве вокруг Солнца, должен ощущать «эфирный ветер», подобно тому как стоя­ щий на палубе быстродвижущегося судна матрос чув­ ствует на лице дуновение ветра, хотя на самом деле воз­ дух совершенно спокоен.

Опыт

Майкельсон без конца ломал голову над будущим опы­ том, думая о нем даже по ночам. «Эфирное море», в ко­ торое мы погружены, как рыбы в воду, должно в какойто мере замедлять распространение света, и это замед­ ление должно быть доступно измерению. Следующий пример пояснит это рассуждение. Каждому пловцу изве­ стно, даже если он не понимает причины, что легче пе­ реплыть движущийся поток воды поперек и вернуться на­ зад, нежели проплыть то же расстояние вверх или вниз по течению и обратно. Так, многие рыболовы замечали, что на весельной лодке переплыть на другой берег реки и обратно скорее, чем вверх по течению и назад.

Это явление можно объяснить при помощи очень простого расчета (фиг. 5). Два человека в неподвижной

52

воде гребут с одинаковой скоростью 1,5 ж в секунду. Во­ да в реке, по которой они плывут, движется со скоро­ стью 1,2 ж в секунду, а ширина реки равна 27 ж. Пер­ вый гребец проходит на лодке 27 ж вниз по течению и затем обратно. -Вниз по течению он движется со скоро­ стью 2,7 ж в секунду, на обратном пути его скорость равна всего 0,3 ж в секунду. На всю поездку, таким об­ разом, у него уходит 27/2,7 + 27/0,3=100 сек. Скорость передвижения второго гребца, идущего поперек течения, может быть представлена катетом прямоугольного тре­ угольника, другим катетом которого является скорость движения воды, равная 1,2, а гипотенузой — скорость, с которой гребец передвигается в неподвижной воде,— 1,5. Квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов, или 1,52= 1,22+ х 2, откуда х (скорость его передвижения) равна 0,9 ж в секунду. Поэтому он пересекает реку за

53

27/0,9, или за 30 сек, а общее время, затраченное им на поездку туда и обратно, равно 60 сек, вместо 100 сек, затраченных первым гребцом.

Пользуясь этой простой аналогией, Майкельсон рас­ судил, что эфир будет меньше замедлять свет, если свет распространяется под прямым углом к направлению движения Земли вокруг Солнца, чем если он движется в пространстве в том же направлении, что и Земля. Ес­ ли же эфира не существует, тогда направление распро­ странения света не будет играть никакой роли.

Он замыслил свой опыт следующим образом. Он по­ шлет один луч света на известное расстояние в какомнибудь одном направлении, а другой луч — на такое же расстояние под прямым углом к первому лучу. Оба лу­ ча будут отправлены одновременно и возвратятся в одну и ту же исходную точку. Если эфир действительно существует, лучи, как в случае с двумя гребцами, дол­ жны вернуться в исходную точку в разное время, и бу­ дет иметь место явление интерференции — одно из свойств волнового движения. Оно выразится в том, что в точке пересечения волн двух лучей получатся переме­ жающиеся полосы света, известные как характерная

при смешении двух волн. Когда гребень одной волны совпадает со впадиной другой, волна погашается, и сре­ да в этой точке покоится. Если гребень одной волны совпадает с гребнем другой волны, волна усиливается. Существуют также переходные степени между погаше­ нием и максимальным усилением.

Это явление может быть продемонстрировано в лю­ бом мелком бачке с водой. Опустите одновременно кон­ чики двух пальцев в воду на расстоянии нескольких сантиметров. Они породят две круговые волны.

54