Эфирный дрейф

Майкельсон был величайшим мастером приборов. Его измерения скорости света стали примером классической точности. Его шедевром был прибор такой удивительной чувствительности, что им можно было с одинаковой легкостью измерить крохотную длину одной световой волны и диаметр звезды, которая в двести пятьдесят раз больше Солнца. Прибор Майкельсона дал Эйнштейну первое экспериментальное подтверждение его революционной теории относительности.

Майкельсон изобрел этот прибор - интерферометр в 1880 году, два года спустя после того, как впервые измерил скорость света; ему было тогда всего двадцать восемь лет.

Об одаренности ученого можно судить по глубине его проникновения в наиболее трудные проблемы своего времени. Майкельсон вы держал это испытание. Самым волнующим научным достижением того времени была теория Максвелла, утверждавшая, что Вселенная заполнена веществом, которое называется эфир. Еще за двести лет до Максвелла первым выдвинул гипотезу о существовании эфира Христиан Гюйгенс. Ко времени Максвелла эфиру приписывали уже множество различных свойств.

Сэр Оливер Лодж, один из пионеров радио, сказал, что эфир - "некая беспрерывная субстанция, заполняющая все пространство. Ее колебания являются светом; ее можно разделить на положительное и отрицательное электричество; сгустки ее составляют материю; из-за собственной непрерывности, а не путем столкновений, она передает любое действие и противодействие, на которое способна материя."

Поскольку каждая теория в физике XIX века основывалась на существовании эфира, Майкельсон задался целью установить, действительно ли он существует.

Метод Майкельсона был основан на том же явлении, которое вызывает радужные цвета на тонкой пленке масла на поверхности лужи. Большая часть солнечного света отражается от наружной поверхности масляной пленки, в то время как остальной свет; проникает внутрь пленки и отражается от ее нижней поверхности. При определенных углах падения света оба отражения накладываются одно на другое. Волны света, так же, как волны в воде, взаимно уничтожают или усиливают друг друга в зависимости от того, совпадает ли гребень одной волны с впадиной или гребнем другой. Есть некоторая разница в длине волн тех цветов, которые составляют белый цвет. При интерференции света некоторые цвета исчезают, и вместо них на масле появляется черная полоска. Там же, где цвета усиливаются, видны полосы хроматически чистых цветов спектра.

Интерферометр Майкельсона, спроектированный им во Франции, расщеплял луч света надвое, подобно тому как две поверхности масляной пленки разделяют солнечный свет. Майкельсон заставил каждый луч света проходить свой особый путь, а потом соединял их снова. Если два пути света слегка отличались друг от друга - как если бы один из них отражался от наружной, а другой от нижней поверхности тонкой масляной пленки, наблюдатель мог видеть попеременные светлые и темные полоски. Так как длина световой волны известна, то можно подсчитать неуловимо ничтожную разницу в расстоянии, которое проходил каждый луч.

Оригинальность идеи Майкельсона состояла в том, что, прежде чем соединить оба луча, он направлял их под прямым углом друг к другу.

Если один световой луч идет в направлении движения Земли в пространстве, то есть в эфире, а другой направлен к первому под прямым углом, то должна быть заметная разница в расстояниях, пройденных обоими лучами. Поясним это на таком примере. Представьте себе двух пловцов в реке с сильным течением и шириной в милю. Одному пловцу предложили пересечь реку и вернуться обратно, второму - проплыть милю вниз по течению и обратно. Пловца, пересекавшего реку, все время сносило бы вниз по течению, и вернулся бы он несколько ниже того места на берегу, откуда отправился. Второй пловец проплыл бы первую часть пути легко, но возвратился бы с большим трудом. На заплыв ему понадобилось бы значительно больше времени, чем первому. Зная время, затраченное каждым пловцом, можно узнать скорость течения.

Световой эксперимент Майкельсона с интерферометром был основан на том же принципе; полосы интерференции должны были показать скорость движения эфира по отношению к Земле. Но Майкельсон, установив свой чувствительный прибор, не обнаружил никакого признака движения сквозь эфир. Он был настолько убежден в точности своих измерений, что мог бросить вызов любой теории и ученому своего времени. В докладе, напечатанном в журнале "Америкэн Джорнэл оф Сайенс" в 1881 году, он уверенно заявил: "Таким образом доказано, что гипотеза неподвижного эфира неверна".

Рис. 47. Зеркало (М) было изготовлено Алвэном Кларком. Турбинное колесо (Т) приводилось в движение сжатым воздухом. Ё - рама из чугуна; зеркало имело 1,25 дюйма в диаметре. В последующих экспериментах он пользовался многогранным зеркалом

Большинство ученых с гневом отвергало выводы Майкельсона. Два человека - Фитцджеральд в Дублине и Лоренц¹ в Лейдене, независимо друг от друга, предложили объяснение, сохранявшее теорию эфира, если только наука согласится с предположением, что предметы, движущиеся навстречу эфиру, подобно одной трубке интерферометра, сокращаются в длину вдоль направления своего движения, в зависимости от того, как близко их собственная скорость приближается к скорости света. При обычных скоростях сокращение практически равно нулю. При скорости, равной половине скорости света, сокращение может увеличиваться почти до 15 процентов.

¹ (Лоренц Гендрик Антон (1853 - 1928) - крупнейший нидерландский физик. Создатель электронной теории, на основании которой объяснил ряд электрических и оптических явлений. Его работы явились исходными при создании теории относительности)

Многие физики считали идею Лоренца-Фитцджеральда такой же фантастичной, как и концепцию Майкельсона, и предпочитали не высказывать суждений до тех пор, пока не станут известны новые данные. В 1901 году Кауфман показал, что электроны, излучаемые радием, по-видимому, увеличивают свою массу в тот момент, когда скорость их вылета приближается к скорости света. Молодому Альберту Эйнштейну, который родился всего за два года до эксперимента Майкельсона, казалось, что разрешить загадку можно, введя совершенно новые постулаты:

1) все законы физики одинаковы в системах, движущихся прямолинейно и равномерно по отношению друг к другу, поэтому наблюдатель, находящийся в одной системе, не может обнаружить движения этой системы при помощи наблюдений, сделанных только в ее пределах;

2) скорость света в любой системе независима от скорости источника света;

3) это означает, что скорость света должна быть независима от относительной скорости источника света и наблюдателя.

Сформулированная в математических терминах в 1905 году теория относительности Эйнштейна показала, что сокращение Лоренца-Фитцджеральда на самом деле существует, но оно не имеет ничего общего с эфиром. Она также предсказала, что масса любого предмета должна возрастать, когда его скорость приближается к скорости света.

В системе Эйнштейна ни одна точка Вселенной не является более подходящей для измерения, чем любая другая. Всякое движение можно измерять лишь относительно наблюдателя, производящего измерения. Нет так же никакого момента времени, который наблюдатель может считать начальным.

Рис. 48. В девяностые годы прошлого столетия Майкельсон был самым знаменитым американским физиком. Во всем мире ценили изящество его экспериментов. У него был темперамент художника, он обладал чувством прекрасного

Время и место относительны по отношению к наблюдателю, поэтому теория была названа теорией относительности Эйнштейна в отличие от теории Ньютона, которая предполагала существование абсолютного времени и пространства. В 1919 году общая теория относительности Эйнштейна получила еще большее подтверждение в результате астрономических наблюдений, и впервые внимание широкой публики было сосредоточено на человеке, который уже более 20 лет творил чудеса.