Файл: Джефф Б. Майкельсон и скорость света.pdf

Продолжайте попеременно вытаскивать и опускать в воду пальцы, стараясь по возможности делать это равномерно. Когда встретятся круговые волны от двух источников, можно будет наблюдать картину интерфе­ ренции. Точки, в которых вода остается в покое, обра­ зуют узловые линии, расположенные радиально, подоб­ но спицам в колесе. Между узловыми линиями волновое движение будет продолжаться.

И точно так же, когда гребень одной световой вол­ ны встречается с впадиной другой световой волны, про­ исходит погашение света и, если смотреть через неболь­ шую зрительную трубу или проектировать изображение на экран, можно видеть перемежающиеся темные и свет­ лые полосы. Темные полосы соответствуют погашениям. Если же волны попадают на экран или в зрительную трубу в одной и той же фазе, т. е. гребень на гребень и впадина на впадину, то образуется светлая полоса

(фиг. 6).

Интерференция света была впервые продемонстри­ рована в 1803 году Томасом Юнгом, поставившим бле­ стящий опыт, который полностью подтвердил волновую теорию света и привел ее противников чуть ли не в ис­ ступление. Юнг был человеком разносторонних даро­ ваний: в возрасте двух лет он уже поражал своими спо­ собностями, еще ребенком стал выдающимся лингви­ стом, был музыкантом, математиком, крупным физиком, археологом, расшифровщиком иероглифов, художником, философом и анатомом.

В своем опыте, который он показал на заседании Ко­ ролевского общества в Лондоне, он пропускал монохро­ матический свет от далекого источника света через два расположенных рядом маленьких отверстия в экране, после чего свет падал на другой экран. Световые пятна на втором экране интерферировали и образовывали

55

- 2

в

Фиг. 6. Интерференция.

а — две волны (I, 2) одинаковой амплитуды движутся в одном и том же направлении так, что гребни одной совпадают с впадинами другой; при этом они погашают друг друга (3); б — гребень одной волны находит на гребень другой, а впадина одной — на впадину’ другой (1, 2); волны складываются и амплитуда волнового движения

Интерференция с усилением волн (накладывание гребня на гребень) дает светлые полосы, интерференция с погашением гребня впади­ ной — темные полосы.

перемежающиеся светлые и темные полосы. Этот опыт доказал, что свет и только свет может порождать тем­ ноту, перемежающиеся темные полосы на экране. Юнг объяснил, что светлые полосы на экране получаются, когда волны из обоих отверстий проходят до экрана одинаковое расстояние или когда расстояния, пройден­ ные волнами, рознятся на целое число длин волн, т. е.

56

когда фазы совпадают и гребень приходится на гребень. Темные же полосы получаются, когда расстояния, прой­ денные волнами до экрана, рознятся на полуцелое число длин волн, т. е. когда гребень приходится на впадину, вызывая погашение.

Казалось бы, Майкельсон задумал вовсе не такой уж трудный опыт. Но на самом деле осуществить его было необыкновенно сложно. Ведь свет распростра­ няется с огромной скоростью, а замедление одного из лучей будет в самом лучшем случае ничтожно мало. Наша Земля тащится по орбите со скоростью всего 30 км в секунду, свет же распространяется в десять ты­ сяч раз быстрее. Для проведения такого опыта нужен был прибор необычайной чувствительности в сочетании с безукоризненной техникой экспериментатора. Малей­ шая неточность инструментов, неуловимая ошибка экс­ периментатора — и все результаты пойдут насмарку. Но сложности не пугали Майкельсона. Недостатком уверен­ ности в себе он никогда не страдал.

В 1851 году Физо попытался выяснить, влияет ли движущийся водный поток на скорость света, и если да, то в какой степени. В своем опыте он использовал яв­ ление интерференции. Он пропускал два световых пучка по параллельным стеклянным трубкам, в которые с большой скоростью нагнеталась вода. В одной трубке свет шел в направлении движения воды, а в другой — в противоположном направлении. Через восемь лет Май­ кельсон повторил этот опыт, несколько его видоизменив. Вместо двух отдельных световых пучков он использовал один, расщепив его на два при помощи полупрозрачного зеркала; такое зеркало отражает часть света, а часть света пропускает. В результате один пучок превращает­ ся в два противоположно направленных.

57

Интерферометр Майкельсона

Майкельсон использовал принцип обоих аппаратов Физо и на этой основе создал гораздо более совершен­ ный и чрезвычайно точный инструмент — интерферометр Майкельсона. До этого были уже другие интерферомет­ ры, в частности интерферометр, сконструированный ан­ глийским физиком лордом Рэлеем, но прибор Майкель­ сона превосходил все остальные точностью и заслужил всеобщую известность.

Интерферометр был изготовлен по чертежам Май­ кельсона инструментальным заводом в Берлине на сред­ ства Александра Белла, который взял на себя расходы и тем самым вывел Майкельсона из затруднительного положения. Незадолго до этого, не зная, как изыскать необходимые средства, Майкельсон писал: «Боюсь, что придется отложить эксперимент на неопределенное вре­ мя». Первая модель была готова в 1881 году.

Чтобы понять принцип работы интерфер.ометра, надо разобраться в действии воздушного клина (фиг. 7) и попытаться представить себе систему темных и светлых полос, которая при этом возникает. Эти полосы сдвига­ ются при изменении угла между стеклянными пластин­ ками. Именно этот сдвиг полос и измеряет наблюдатель, работающий с интерферометром.

Принцип действия интерферометра Майкельсона по­ казан на фиг. 8. Луч света А расщепляется, падая на стеклянную пластинку Рь задняя стенка-которой покры­ та очень тонкой серебряной пленкой. Часть луча Г\ отра­ жается от этой серебряной пленки на зеркало Мр,

она точно параллельно пластинке Рь

58

Темная

полоса

Светлая

полоса

Темная

полоса

Фиг. 7. Схема действия воздушного клина.

Интерференционные полосы можно наблюдать, посылая луч монохрома­ тического света на две плоские стеклянные пластинки, разделенные очень тонким воздушным клином. Чтобы получить такой клин, доста­ точно между пластинками с одного конца вложить листок целлофана. Монохроматический свет (в данном случае желтый свет паров натрия) получают, помещая в пламя горелки поваренную соль. На клине на­

блюдаются перемежающиеся светлые и темные полосы.

К тому моменту, когда луч гх достигает зеркала Ми

зившись от зеркала М\, он возвращается по уже прой­ денному пути, в третий раз проходит через пластинку Р 1 и попадает в зрительную трубу наблюдателя.

59

Монохроматический

ист рчник с еето

Пластинка Рг равна по толщине пластинке Р( и расположена параллельно ей. Зеркала Мг и М 2 находятся под прямым углом друг к другу. Зеркало М2 можно перемещать при помощи специального винта в

Серебряная пленка на задней стенке Р\ настолько тонка, что луч г2 проходит сквозь нее. Затем он проходит через пластинку Р2 на зеркало М2, отражается от него и возвращается по тому же пути. Потом луч г2 еще раз проходит через пластинку Р2 и, отражаясь от задней стенки Рь попадает в зрительную трубу наблюдателя.

60

Обратите внимание, что, пройдя один раз через Рх и два раза через Р2, луч г2 проделал путь, равный пути, про­ деланному лучом Г], который трижды прошел через Р\, поскольку пластинки Р1 и Р2 имеют одинаковую толщи­ ну. Таким образом, лучи Г\ и г2 проходят до зрительной трубы наблюдателя одинаковое расстояние.

Теперь предположим, что два зеркала расположены на абсолютно равном расстоянии от полупосеребренной пластинки, угол между их плоскостями составляет точ­ но 90°, а обе пластинки имеют абсолютно одинаковую толщину и расположены под углом точно 45° к направ­ лению движения луча. Глядя в зрительную трубу, на­ блюдатель видит темное поле. Мнимое изображение зер­ кала М2 совпадает с плоскостью Ми но луч г2, в отли­ чие от луча гь отражается от наружной плоскости Ри и два луча встречаются в противофазе. Если же эти условия не соблюдены, плоскость зеркала М2 не совпа­ дает с плоскостью Мь а играет роль одной из стеклян­ ных пластинок, показанных на фиг. 7, образуя клин с плоскостью М\. Глядя в зрительную трубу, наблюдатель видит интерференционную картину темных полос, а ког­ да он при помощи специального винта изменяет поло­ жение зеркала М2, темные полосы смещаются поперек его поля зрения. При перемещении зеркала на половину длины волны каждая полоса сдвигается в положение, ранее занимаемое соседней полосой. Подсчитывая эти смещения, наблюдатель может точно определить степень перемещения зеркала.

Майкельсон впервые испытал свой прибор в лабора­ тории Германа Гельмгольца при Берлинском универси­ тете. Обсуждая с Майкельсоном предстоящий опыт, Гельмгольц подчеркивал трудность поддержания посто­ янной температуры, но тот, несмотря на свое уважение к старейшему ученому, держался иного взгляда. «Все

61

льдом, и тем самым будет обеспечена практически по­ стоянная температура».

Как и во время подготовки предыдущего опыта с измерением скорости света, работа неоднократно пре­ рывалась— то по техническим причинам, то разными се­ мейными событиями. Хотя интерферометр был установ­ лен в лаборатории Гельмгольца на прочном каменном фундаменте, вибрация, вызываемая проезжающими по улицам Берлина экипажами, мешала проведению на­ блюдений не только днем, но даже и ночью. Семейным же событием, помешавшим эксперименту, явилось рож­ дение третьего ребенка — Эльзы. Майкельсон не был склонен к сантиментам и обычно не замечал праздников и именин. Но одно дело — праздник, другое — рождение дочки. И он прервал работу, чтобы скромно отметить семейное торжество.

Затем он вернулся к проблеме вибрации. В апреле прибор был разобран и перевезен в астрофизическую обсерваторию в Потсдаме. Здесь, поместив прибор в ни­ шу в кирпичном фундаменте большого телескопа, Май­ кельсон, наконец, добился удовлетворительной точно­ сти. (Но и в этом надежном месте прибор изводил Майкельсона, реагируя на малейшую вибрацию, вызванную даже шагами человека, идущего по каменной мостовой за квартал до обсерватории.)

Гипотеза эфира ошибочна

К невыразимому удивлению самого Майкельсона опыт не дал результата. Майкельсон не обнаружил задержки . в распространении света ни в каком направлении. Про-

62