Опыт
Майкельсон без конца ломал голову над будущим опытом, думая о нем даже по ночам. "Эфирное море", в которое мы погружены, как рыбы в воду, должно в какой-то мере замедлять распространение света, и это замедление должно быть доступно измерению. Следующий пример пояснит это рассуждение. Каждому пловцу известно, даже если он не понимает причины, что легче переплыть движущийся поток воды поперек и вернуться назад, 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.
Майкельсон и скорость света. Пример с гребцом
Это явление можно объяснить при помощи очень простого расчета (рис. 5). Два человека в неподвижной воде гребут с одинаковой скоростью 1,5 м в секунду. Вода в реке, по которой они плывут, движется со скоростью 1,2 м в секунду, а ширина реки равна 27 м. Первый гребец проходит на лодке 27 м вниз по течению и затем обратно. Вниз по течению он движется со скоростью 2,7 м в секунду, на обратном пути его скорость равна всего 0,3 м в секунду. На всю поездку, таким образом, у него уходит 27/2,7 + 27/0,3 = 100 сек. Скорость передвижения второго гребца, идущего поперек течения, может быть представлена катетом прямоугольного треугольника, 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 + x2, откуда x (скорость его передвижения) равна 0,9 м в секунду. Поэтому он пересекает реку за 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 рассудил, 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. Если же эфира не существует, тогда направление распространения света не будет играть никакой роли.
Он замыслил свой опыт следующим образом. Он пошлет один луч света на известное расстояние в каком-нибудь одном направлении, а другой луч - на такое же расстояние под прямым углом к первому лучу. Оба луча будут отправлены одновременно и возвратятся в одну и ту же исходную точку. Если эфир действительно существует, лучи, как в случае с двумя гребцами, должны вернуться в исходную точку в разное время, и будет иметь место явление интерференции - одно из свойств волнового движения. Оно выразится в том, что в точке пересечения волн двух лучей получатся перемежающиеся полосы света, известные как характерная картина интерференции.
Как уже было сказано, интерференция происходит при смешении двух волн. Когда гребень одной волны совпадает со впадиной другой, волна погашается, и среда в этой точке покоится. Если гребень одной волны совпадает с гребнем другой волны, волна усиливается. Существуют также переходные степени между погашением и максимальным усилением.
Это явление может быть продемонстрировано в любом мелком бачке с водой. Опустите одновременно кончики двух пальцев в воду на расстоянии нескольких сантиметров. Они породят две круговые волны.
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 интерференции. Точки, в которых вода остается в покое, образуют узловые линии, расположенные радиально, подобно спицам в колесе. Между узловыми линиями волновое движение будет продолжаться.
И точно так же, когда гребень одной световой волны встречается с впадиной другой световой волны, происходит погашение света и, если смотреть через небольшую зрительную трубу или проектировать изображение на экран, можно видеть перемежающиеся темные и светлые 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 (рис. 6).
Майкельсон и скорость света. Интерференция
Интерференция света была впервые продемонстрирована в 1803 году Томасом Юнгом, поставившим блестящий опыт, который полностью подтвердил волновую теорию света и привел ее противников чуть ли не в исступление. Юнг был человеком разносторонних дарований: в возрасте двух лет он уже поражал своими способностями, еще ребенком стал выдающимся лингвистом, был музыкантом, математиком, крупным физиком, археологом, расшифровщиком иероглифов, художником, философом и анатомом.
В своем опыте, который он показал на заседании Королевского общества в Лондоне, он пропускал монохроматический 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 перемежающиеся светлые и темные полосы. Этот опыт доказал, что свет и только свет может порождать темноту, 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, пройденные волнами, разнятся на целое число длин волн, т.е. когда фазы совпадают и гребень приходится на гребень. Темные же полосы получаются, когда расстояния, пройденные волнами до экрана, разнятся 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 распространяется 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 тысяч раз быстрее. Для проведения такого опыта нужен был прибор необычайной чувствительности в сочетании с безукоризненной техникой экспериментатора. Малейшая неточность инструментов, неуловимая ошибка экспериментатора - и все результаты пойдут насмарку. Но сложности не пугали Майкельсона. Недостатком уверенности 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 явление 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 Майкельсон 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 превращается в два противоположно направленных.
Интерферометр Майкельсона
Майкельсон использовал принцип обоих аппаратов Физо и на этой основе создал гораздо более совершенный и чрезвычайно точный инструмент - интерферометр Майкельсона. До этого были уже другие интерферометры, в частности интерферометр, сконструированный английским физиком лордом Рэлеем, но прибор Майкельсона превосходил все остальные точностью и заслужил всеобщую известность.
Интерферометр был изготовлен по чертежам Майкельсона инструментальным заводом в Берлине на средства 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 время". Первая модель была готова в 1881 году.
Майкельсон и скорость света. Схема действия воздушного клина Майкельсон и скорость света. Схема интерферометра Майкельсона
Принцип действия интерферометра Майкельсона показан на рис. 8. Луч света А расщепляется, падая на стеклянную пластинку P1, задняя стенка которой покрыта очень тонкой серебряной пленкой. Часть луча r1 отражается от этой серебряной пленки на зеркало M1; другая часть r2 проходит на зеркало М2, Пластинка P2 вырезана из того же куска стекла, что и пластинка P1, и имеет поэтому ту же толщину; размещается она точно параллельно пластинке P1.
К тому моменту, когда луч r1 достигает зеркала М1, он уже дважды прошел через пластинку P1 - в первый раз на пути к серебряной задней стенке Р1 и второй раз - отражаясь от этой стенки на зеркало M1. Отразившись от зеркала M1, он возвращается по уже пройденному пути, в третий раз проходит через пластинку Р1 и попадает в зрительную трубу наблюдателя.
Серебряная пленка на задней стенке P1 настолько тонка что луч r2 проходит сквозь нее. Затем он проходит через пластинку Р2 на зеркало М2, отражается от него и возвращается по тому же пути. Потом луч r2 еще раз проходит через пластинку Р2 и, отражаясь от задней стенки P1, попадает в зрительную трубу наблюдателя. Обратите внимание, что, пройдя один раз через P1 и два раза через Р2, луч r2 проделал путь, равный пути, проделанному лучом r1, который трижды прошел через Р1 поскольку пластинки Р1 и Р2 имеют одинаковую толщину. Таким образом, лучи r1 и r2 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 точно 90°, а обе пластинки имеют абсолютно одинаковую толщину и расположены под углом точно 45° к направлению движения луча. Глядя в зрительную трубу, наблюдатель видит темное поле. Мнимое изображение зеркала М2 совпадает с плоскостью M1, но луч r2, в отличие от луча r1, отражается от наружной плоскости Р1, и два луча встречаются в противофазе. Если же эти условия не соблюдены, плоскость зеркала М2 не совпадает с плоскостью M1, а играет роль одной из стеклянных пластинок, показанных на рис. 7, образуя клин с плоскостью M1. Глядя в зрительную трубу, наблюдатель видит интерференционную картину темных полос, а когда он при помощи специального винта изменяет положение зеркала M2, 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 лаборатории Германа Гельмгольца при Берлинском университете. Обсуждая с Майкельсоном предстоящий опыт, Гельмгольц подчеркивал трудность поддержания постоянной температуры, но тот, несмотря на свое уважение к старейшему ученому, держался иного взгляда. "Все же я позволю себе не согласиться, - писал он Ньюкому. - Я считаю, что аппарат надо окружить тающим льдом, и тем самым будет обеспечена практически постоянная температура".
Как и во время подготовки предыдущего опыта с измерением скорости света, работа неоднократно прерывалась - то по техническим причинам, то разными семейными событиями. Хотя интерферометр был установлен в лаборатории Гельмгольца на прочном каменном фундаменте, вибрация, вызываемая проезжающими по улицам Берлина экипажами, мешала проведению наблюдений не только днем, но даже и ночью. Семейным же событием, помешавшим эксперименту, явилось рождение 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 нишу в кирпичном фундаменте большого телескопа, Майкельсон, наконец, добился удовлетворительной точности. (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.)