Файл: Джефф Б. Майкельсон и скорость света.pdf

Фиг. 9. Установка Майкельсона — Морли.

Большая и очень тяжелая каменная плита покоилась на деревянном поплавке, помещенном в жидкую ртуть. Сосуд с ртутью имел форму бублика. Плавая в жидкости, каменная плита и деревянная подставка сохраняли строго горизонтальное положение.

Сопротивление движению тяжелого аппарата было сведено до минимума, и, приложив незначительную силу по его окружности, можно было придать ему мед­ ленное, плавное и непрерывное вращение. Один полный оборот совершался примерно за 6 минут. Наблюдатель ходил вокруг аппарата, передвигаясь одновременно с вращающейся каменной плитой, и периодически оста­ навливался, заглядывая в маленькую зрительную тру­ бу, чтобы проверить, не произошло ли смещения интер­ ференционных полос. Такое смещение означало бы из­ менение скорости света в этом направлении (фиг. 10).

}ía регулировку этого уникального прибора ушло несколько месяцев. В конце концов Майкельсон до­ бился, что он регистрировал малейшее смещение интер­ ференционных полос. Морли и Майкельсон поочередно ходили вокруг прибора и глядели в зрительную трубу.

71

Фиг. 10. Интерферометр в установке Майкельсона — Морли

Принцип его действия тот же, что и прибора, показанного на фиг. 8.

Они предполагали, что в течение года должно быть два дня, когда будет наблюдаться максимальный эффект смещения (если только такой эффект вообще сущест­ вует). В какой-то один день Земля будет двигаться в направлении, прямо противоположном тому, в котором она двигалась в тот, другой день.

Они проводили наблюдения ежедневно в двенадцать часов дня и в шесть часов вечера в шестнадцати раз­ личных направлениях. Напрягая зрение, они вглядыва­ лись в интерференционные полосы, пытаясь определить их смещение.

Опыты были закончены в июле 1887 года. Когда все результаты были сведены воедино и проанализированы,

72

Источник света

т4

все подсчеты сделаны и неоднократно проверены, ис­ следователи оказались перед лицом упрямого факта, разрушавшего всю стройную теорию. Против всякого ожидания, смещения того порядка, которого требовала гипотеза неподвижного эфира, обнаружено не было. Это было похоже на смертный приговор представлению о неподвижном эфирном океане. Майкельсон довольно благосклонно относился к теории неподвижного эфира и надеялся, что опыт позволит его обнаружить. Как же иначе могли распространяться электромагнитные коле­ бания, в том числе световые волны? Опять результат тонко задуманного и блестяще выполненного экспери­ мента привел Майкельсона в полное недоумение.

73

«Величайший из всех отрицательных результатов»

Майкельсон и Морли послали свое сообщение в «Аме­ рикан джорнал оф сайанс» [8]. Оно-было озаглавлено: «Об относительном движении Земли и светоносного эфира». В том же году оно было также напечатано в ан­ глийском журнале «Филозофикал магазин». Вывод Майкельсона стал известен ученым всего мира. В каком бы на­ правлении ни двигался наблюдатель, уловимой разницы в скорости света не обнаруживалось. Иными словами, приходилось признать невероятное: как бы быстро вы ни бежали за светом, догнать его невозможно. Он попрежнему будет убегать от вас со скоростью 300 000 км в секунду. Такое заключение противоречило всему че­ ловеческому опыту. Самолет, который летит со скоро­ стью 600 км в час при попутном ветре, дующем со ско­ ростью 50 км в час, делает относительно какой-нибудь неподвижной точки 650 км. в час. Если же он летит про­ тив ветра, его скорость уменьшится до 550 км в час. Поскольку Земля движется вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км в секунду, скорость светового луча, идущего в одном с Землей направлении, должна быть больше скорости луча, идущего в обратном направле­

нии. Однако опыт Майкельсона опровергал это предпо­ ложение.

Английский физик и философ Джон Д. Бернал на­ звал открытие Майкельсона и Морли «величайшим из всех отрицательных результатов в истории науки». Од­ нако Майкельсон не был окончательно обескуражен результатами своего опыта. Хотя существование непо­ движного эфира ими исключалось, оставалась еще одна возможность, что «Земля увлекает за собой эфир, при­ давая ему почти ту же скорость, с какой движется

74

6.

ПРЕЛЮДИЯ К ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

содержали противоречия и неувязки. Некоторые гово­ рили, что результат опыта Майкельсона — Морли мож­ но объяснить, даже если эфир все же существует. В пе­ риод между 1893 и 1895 годами два крупнейших спе­ циалиста в области математической физики независимо друг от друга выдвинули теорию, одновременно позво­ лявшую признавать и нулевой результат опыта Май­ кельсона— Морли и существование эфира.

Джордж Ф. Фитцджеральд, блестящий ученый, про­ фессор дублинского Тринити Колледж, предложил оше­ ломляющее объяснение этому противоречию; более по­ дробное развитие его идея получила в трудах Гендри-

76

расстоянию Между Двумя неподвижными точками, дви­ гаясь в пространстве с очень большой скоростью в на­ правлении своей длины, уменьшается в размере. Сте­ пень сокращения, т. е. разница между длиной палки, находящейся в покое, и палки, находящейся в движе­ нии, зависит от скорости ее движения. Людям, привык­ шим мыслить в рамках истин, принятых в физике того времени, теория Фитцджеральда представлялась пло­ дом больного воображения. Но оба ученых приняли к ней, рассматривая электромагнитные свойства света, открытые Максвеллом.

Эта оригинальная гипотеза повергла в смятение фи- зиков-ортодоксов. Кто же когда-нибудь видел, говори­ ли они, чтобы палка, сделанная из твердого вещества,

ральд и Лоренц говорили не об обычных скоростях, с которыми повседневно имеют дело инженер или физик. И даже не о таких, как скорость полета-щули. Согласно их вычислениям, при скорости 500 км в час сокращение длины равно всего одной биллионной процента, а та­ кую разницу, конечно, не может уловить ни один наш прибор.

Длина и масса при приближении к скорости света

Однако при теоретической скорости, равной примерно половине скорости света, т. е. около 150 000 км в секун­ ду, теоретическое сокращение составляло уже 13,5%. При скорости, равной 90% скорости света, сокращение доходило до 50%. А если бы скорость достигла 99% скорости света, предмет сжался бы до 14% своего

77

первоначального размера. И наконец, согласно их вы­

нялось бы 100%. Иными словами, при этой колоссаль­ ной скорости материальный предмет исчез бы и пол­

ностью превратился бы в эквивалентное количество энергии.

На самом деле предмет никогда не исчезнет пол­ ностью, поскольку чем быстрее движение, тем больше делается его масса, а чем больше возрастает его масса, тем труднее увеличивать скорость его движения. Ско­ рость света является теоретическим пределом. При этой скорости произойдет непостижимое — длина предмета станет равна нулю. Отсюда вытекает, что скорость,

превышающая скорость света, физически невоз­ можна.

При скорости, с которой Земля движется вокруг Солнца — около 30 км в секунду,— интерферометр Майкельсона сокращается только на одну двухсотмилли­ онную в направлении движения Земли. Однако в на­ блюдениях Майкельсона это явление совершенно не принималось во внимание. Теория сокращения Фитц­ джеральда, при всей своей кажущейся фантастичности,

риканские ученые не учли сокращения плеча интерфе­ рометра.

эффект этого сокращения как раз компенсирует предполагаемое действие «эфирного ветра». Рядовым физикам^ не говоря уже о людях, далеких от науки, теория Фитцджеральда казалась совершенно невероят­ ной, если не бредовой. Некоторые вспоминали высказы­ вание Джозайи Уилларда Гиббса: «Математик может говорить все, что ему вздумается, но физик должен

78