Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Такая формулировка была исключительно интересной и легко воспринимаемой: при поднятии веса с земли Джоуль расходует энергию, а когда груз падает вниз, он возвращает полученную ранее энергию. Если эту энергию впрячь в генератор, то работу можно преобразовать в электрическую энергию, которая будет приводить в движение моторы, качать воду в резервуар, а вытекая оттуда, вода в свою очередь будет вращать водяное колесо, которое можно использовать для завода гигантской часовой пружины. Но на каждом этапе этой схемы часть энергии будет теряться в виде тепла. А если груз будет падать, не производя при этом никакой полезной работы, то, кроме нагрева земли в месте падения и воздуха в результате трения об него падающего груза, ничего не произойти. Поэтому необходимо сохранять не теплород, а энергию.

Признав, что Джоуль совершил открытие, Томсон тут же задумался о том, что из него следует.

Итак, хотя тепло не исчезает из Вселенной, оно постепенно уменьшается, поскольку процесс перетекания от горячего к холодному, и никогда наоборот, — своего рода путь «безвозвратных потерь». Можно предположить, размышлял он, что мир когда-то был очень горяч и с тех пор постоянно остывает: ‘‘…какой-то конечный период времени тому назад и через какой-то конечный период времени в будущем Земля была и будет непригодна для обитания человека».

Ныне ясно, что это справедливо и в отношении всей Вселенной. Она началась с Большого взрыва и с тех пор постепенно «сползает вниз». И все это открылось потому, что кому-то захотелось понять, как устроена паровая машина!

Глава 8

АЛЬБЕРТ АБРАХАМ МАЙКЕЛЬСОН

Затерянные во Вселенной

В космосе отсутствуют приметы, поскольку каждая область пространства ничем не отличается от другой, а потому нельзя точно сказать, где мы находимся. По сути, мы плывем в безмятежном море и не можем определить свой курс ни по звездам, ни по компасу, ни по звукам, ни по направлению ветра, ни по приливу; мы даже не знаем, в каком направлении плывем. Нет у нас и лота, который мы бы бросили за борт, чтобы узнать, какова наша скорость; мы способны лишь рассчитать наше смещение по отношению к соседним телам, да только у нас нет ника* кого представления о том, как эти тела перемещаются в пространстве.

Джеймс Клерк Максвелл. Материя и движение

Для опытного моряка Альберта Абрахама Майкельсона картина, нарисованная Максвеллом, была бы настоящим кошмаром — дрейфовать безветренной ночью, не видя звезд, по которым можно определить, где ты находишься… Майкельсон изучал физику, будучи молодым человеком, во время службы в военном флоте США, а точнее, в Военно-морской академии в Аннаполисе, а также в океане, осваивая штурманское дело. Вы должны забыть о Копернике и думать как Птолемей. Вы и ваш корабль находятся в центре Вселенной, а звезды вращаются вокруг вас. При определении местоположения вам необходимо учитывать скорость вашего судна, а также силу и направление ветра. Несмотря на растерянность и неуверенность, наверняка присущие молодому курсанту, Майкельсон четко знал, что его корабль всегда в визире небесного ока, т. е. на соответствующей широте и долготе. При странствиях во Вселенной в принципе все должно обстоять так же. Должен быть какой-то стандарт, что-то постоянное, по отношению к чему можно производить измерения.

По крайней мере, он на это надеялся. В 1885 году Майкельсон в течение некоторого времени сам находился в большой неопределенности и проживал в нью-йоркской гостинице «Нормандия» под наблюдением опытного психиатра. По словам сослуживца Эдварда Морли, у Майкельсона «была слабая головка» — он то неожиданно возбуждался, то впадал в уныние. Жена пыталась поместить его в психиатрическую лечебницу, но врач в конце концов решил, что ничего страшного нет, — пациент всего лишь отличается повышенной впечатлительностью, и на него легко подействовать светом, цветом и видом того, как солнечные лучи играют на крылышках насекомых. Моряк Майкельсон мечтал о цветомузыке: исполнитель сидит за клавиатурой и нажимает зримые ноты цветового спектра, и тогда рождаются аккорды и арпеджио, «передающие все фантазии, настроения и эмоции человеческого сознания».

В ноябре 1885 года, оставаясь еще в психически очень неустойчивом состоянии, Майкельсон стал готовиться к возвращению в свою лабораторию в Кейсовской школе прикладных наук в Кливленде, однако вскоре он узнал, что место его уже занято и он может рассчитывать только на частичное жалованье. Тем не менее он вернулся домой и поселился в задней комнате дома, где, по правде, не очень-то был желанен. Теперь им владело желание провести свой самый грандиозный эксперимент — с помощью лучей света измерить скорость движения Земли по отношению к звездам.

В своем труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» Галилей предложил, как можно проверить, является ли свет мгновенным или же он движется с конечной скоростью. Стоя ночью на вершине холма, экспериментатор должен направить яркий свет в сторону удаленного холма, на котором находится его помощник, ожидающий сигнала и готовый ответить аналогичным сигналом, как только увидит свет. При отсутствии заметной задержки между сигналами можно заключить, что «если свет не мгновенен, то скорость его очень высока».

Правда, на Земле трудно найти холмы, удаленные друг от друга на расстояние, необходимое для этого опыта. В 70-е годы XVII века датский астроном Оле Рёмер нашел способ произвести измерения, используя масштабы всей Солнечной системы. Направляя свой телескоп на Юпитер в определенное время года, он обнаружил, что его самый близкий спутник Ио в какой-то момент замедляет свое движение по орбите. Рёмер решил, что это происходит потому, что Юпитер и его луны в этот момент находятся дальше от Земли и свет от них доходит за более продолжительное время. Учтя всё, что на то время было известно о расстояниях между планетами, он на основании своих наблюдений пришел к выводу, что свет распространяется со скоростью порядка 225 тысяч километров в секунду.

Схема Рёмера, изображающая затмение Юпитером (В) его спутника Ио (DC), наблюдаемое из различных точек земной орбиты (Земля вращается вокруг Солнца)

По тем временам невероятно смелая идея. И Кеплер, и Декарт были уверены, что свет движется с бесконечно большой скоростью. Однако утверждение Рёмера ждало своего подтверждения почти полвека, когда английский астроном Джеймс Брэдли открыл явление, получившее название аберрации звездного света. Наблюдая за Гаммой Дракона, он обнаружил, что эта звезда блуждает, смещаясь к югу в период с сентября по март, а затем снова возвращаясь к северу. Отвергнув много вариантов, он наконец нашел объяснение этому феномену: к тому моменту, когда свет от звезды достигает его, Брэдли, телескопа, Земля меняет свое положение. Астроном должен вести себя с телескопом подобно охотнику, целящемуся с упреждением в утку. На основе данных, полученных Брэдли, удалось определить, что свет движется со скоростью 294,5 тысячи километров в секунду.

Эксперимент Физо. Свет пропускается между зубцами быстро вращающегося зубчатого колеса и подается на зеркало (М), которое вновь направляет его через колесо

В 1849 году французский врач Арман Ипполит Луи Физо произвел более сложные измерения, воспользовавшись усовершенствованной идеей Галилея с мигающими фонарями. Из дома, находящегося в западном пригороде Парижа, он направил луч света на зеркало, установленное на вершине Монмартра и отражающее пришедший луч в обратном направлении. На пути луча установили быстро вращающееся зубчатое колесо, на котором было 720 аккуратно вырезанных зубцов. Скорость вращения сделали такой, чтобы подаваемый и отраженный свет попадали в зазор в окружности колеса и на окуляре. Физо свет казался «светящейся точкой наподобие звезды». Ускорение или замедление вращения колеса приводили бы к тому, что круглое пятно света исчезло. По длине пути света и скорости вращения Физо рассчитал, что скорость света должна быть равна 315,4 тысячи километров в секунду.

Тринадцать лет спустя его конкурент Леон Фуко усовершенствовал эксперимент, заменив зубчатку вращающимся зеркалом, установленным под определенным углом. Поскольку зеркало вращается, то падающий и отраженный свет несколько смещаются на его поверхности. Измерив это небольшое смещение, удалось рассчитать, что свет движется со скоростью 297,7 км/с.

Эксперимент Фуко. Свет из источника (S) отражается вращающимся зеркалом (R), затем проходит через линзу (L) и попадает на второе зеркало (М). К моменту возвращения пучка света первое зеркало поворачивается, вызывая небольшое отклонение пучка

Похоже, что Майкельсон все это изучил в Военно-морской академии Аннаполиса, где он оказался в 1869 году, проделав весьма сложный путь. Он был старшим сыном польских иммигрантов, которые сначала осели в Калифорнии, где его отец открыл мануфактурную лавку в лагере золотоискателей. Затем «серебряная лихорадка» увлекла их в Неваду. Там, закончив среднюю школу, Альберт решил поступать в Военно-морскую академию. Не получив помощи в поступлении от конгрессмена своего штата, он отправился поездом в Вашингтон и уговорил президента США Улисса Гранта вмешаться* В 1874 году Майкельсон уже плыл курсантом на борту американского военного корабля «Ворчестер», а вскоре преподавал физику и химию в Аннаполисе. Именно там он встретил Маргарет Хеминуэй, племянницу офицера, который был начальником кафедры физики, и дочь магната с Уолл-стрит. Они поженились в 1877 году, а год спустя, получив от тестя две тысячи долларов, Майкельсон стал готовиться к своему первому большому эксперименту.