Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

В поисках более спокойного места он переместился в Потсдам и установил свое оборудование в подвале Астрофизической обсерватории. Поначалу ему казалось, что, переориентируя прибор, он получает существенный сдвиг в интерференционной картинке, но потом он обнаружил, что виной всему — нечаянный изгиб латунных кронштейнов. Он переделал поворотный механизм, обеспечивающий большую легкость движения, и повторил эксперимент.

Первый интерферометр Майкельсона — вид сверху и сбоку

День за днем он повторял измерения, по-разному разворачивая интерферометр, пока не убедился, что смещение интерференционных линий не превышает одной сотой их ширины, которое он из-за малой его величины отнес к экспериментальной ошибке. Было уже начало апреля, когда направление движения Земли и всей Солнечной системы совпадало, поэтому скорость Земли по отношению к эфиру должна быть максимальной, однако сколько-нибудь заметного эффекта не наблюдалось. В 1881 году в письме своему спонсору Беллу он сообщал о получении отрицательного результата. Майкельсон пояснял, что это можно рассматривать как подтверждение отсутствия эфира. Однако эфир должен был быть! Некоторые ученые полагали, что просто сам эксперимент неудачно поставлен. Может быть эфир, двигаясь вокруг Солнца, замедлял свое движение вблизи Земли. В самом центре урагана никогда не бывает ветра. Но что бы там ни говорилось, а Майкельсон не сомневался в своих выводах. Позднее Белл напишет: «Я был очень высокого мнения о его способностях, но, думаю, что и он о своих — тоже».

У Майкельсона оставалась надежда, что замедление эфира будет неполным и по «звездному занавесу» можно будет судить о движении Земли. Такая вероятность уже высказывалась в начале XIX века французским ученым Франсуа Араго, который пытался измерить скорость звездного света, достигающего Земли. Араго предположил — и весьма оправданно, — что скорость будет меняться в зависимости от того, приближается к нам или удаляется от нас источник света. На конце телескопа он установил призму, полагая, что лучи с большей скоростью будут отклоняться на меньший угол, чем лучи с меньшей скоростью. Он был очень удивлен — в любое время года угол отклонения оказывался одним и тем же.

Араго заключил, что наши глаза замечают изменения только в очень узком диапазоне скоростей и что лучи вне этого диапазона остаются невидимыми. Однако его коллега Огюстен Жан Френель выдвинул другое объяснение: поскольку эфир беспрепятственно проходит через молекулярные трещины материи, небольшое его количество прилипло к призме Араго. Это и сводит на нет тот эффект, который пытался обнаружить Араго. Когда Земля движется по направлению к звезде, ее свет действительно будет достигать призмы с большей скоростью, но затем он будет замедляться на аналогичную величину эфиром, находящимся внутри стекла. Сей результат справедлив, по утверждению Френеля, для любой прозрачной среды и зависит от коэффициента преломления, с помощью которого определяется, насколько замедляется и искривляется луч. Поэтому эфирное замедление будет более заметно в воде и совершенно несущественно в воздухе.

В 1882 году, после творческого отпуска, проведенного в Европе, Майкельсон совсем ушел с флотской службы и стал преподавателем Кейсовской школы прикладных наук в Кливленде, которая в тот момент только открылась. В первый год своего пребывания там ему удалось измерить скорость света в вакууме (которая оказалась равной почти 299 852 км/с). Затем с человеком, с которым он познакомился в поезде на пути в Монреаль, он стал заново обдумывать эксперимент с эфиром.

Эдвард Морли, химик из близлежащего Западного резервного университета, был в науке таким же щепетильным, как и Майкельсон. Оба сразу договорились, что бессмысленно повторять попытку с определением абсолютного движения Земли, не проверив предварительно гипотезу Френеля о том, что звездный фон в пространстве фиксирован, и замедляются только небольшие количества эфира, попадающие в прозрачные тела, причем эффект этот настолько слабо выражен, что им можно пренебречь. Усовершенствовав эксперимент, проведенный Физо, они приступили к прокачиванию воды по кольцевой трубе и, разделив один и тот же луч, направили одну его половину по течению воды, а другую — против течения. В результате им удалось обнаружить, что вода действительно незначительно ускоряет или замедляет распространение света. (Необходимо отметить, что то, что они посчитали подтверждением гипотезы об эфирном замедлении, теперь объясняется с помощью специальной теории относительности.)

Случилось так, что как раз посреди этого эксперимента Майкельсон затеял развод. Причины неясны, но этот брак никогда не был крепким. Ученый считал, что жена слишком много говорила и старалась всеми силами привлечь к себе внимание любой компании. Ей было скучно в Кливленде, она устала оттого, что муж постоянно приходил домой поздно, пропадая все время в лаборатории или еще где. Она жаловалась, что ему ничего не стоит истратить хозяйственные деньги на научную аппаратуру. И когда Майкельсон отправился в Нью-Йорк полечиться (разводиться), Морли был уверен, что он уже никогда не вернется к научной работе.

Эксперимент Майкельсона-Морли. На нижней схеме показано, как проходили два световых пучка, путь которых был увеличен отражением от шестнадцати зеркал

Однако Морли, похоже, выдавал желаемое за действительное (Майкельсон больше, чем кто-либо, держал его в черном теле). Не прошло и двух месяцев, как Майкельсон снова был в лаборатории, готовый возобновить эксперименты. Но тут его постигла очередная неудача. В 1886 году пожар разрушил Кейсовскую школу, и Майкельсону пришлось все, что пощадил огонь, перевезти в Западный университет. Но пришел день, когда эти двое решили, что они готовы, как выразился Морли, «уже наконец выяснить, распространяется ли свет во все стороны с одинаковой скоростью». Как и Майкельсон, он был уверен — ответ будет отрицательным.

В этом эксперименте они предприняли дополнительные меры, чтобы полностью демпфировать все колебания интерферометра. Установка была смонтирована на глыбе песчаника со стороной порядка полутора метров и толщиной 35 сантиметров. Это сооружение плавало на деревянной конструкции в форме бублика в поддоне, залитом ртутью. По углам установили четыре металлических зеркала, которые должны были многократно отражать свет, идущий от лампы Аргана. В результате получалось, что свет, шедший по направлению движения Земли и перпендикулярно ему, преодолевал расстояние в 10,9 метра. От воздействия воздуха оптические детали были защищены деревянным коробом. Тщательно измерив и установив необходимое расстояние между зеркалами — калибровка выполнялась столь точно, что потребовалась резьба в 100 оборотов на один дюйм, — они приступили к эксперименту.

От усилия руки интерферометр начал медленно вращаться, совершая шесть оборотов в минуту. Вокруг него ходил Майкельсон. Стараясь не касаться установки, он периодически смотрел в окуляр на кольца интерференции, сообщая Морли, когда прибор проходил 1/16 круга, размеченного как картушка. Они проводили измерения между 8 и 12 июля в полдень и вечером и не обнаружили никакой разницы. Получалось, что оба пловца возвращались в одно и то же время.

Тогда они задумали проводить измерения в разное время года, чтобы понять, влияет ли на измерения орбитальное движение Земли, но им уже казалось, что в этом нет особого смысла. Вероятно, Френель ошибся: планета захватывала с собой столько эфира, что ни о каком эффекте и речи не могло быть. Для измерения абсолютного движения Земли потребовалось бы проведение измерений высоко над Землей, возможно, даже в околоземном пространстве.

Морли и другой его коллега, Дейтон Кларенс Миллер, продолжали искать эфир, используя интерферометры с большими путями светового пучка. Миллер даже утверждал, что при проведении эксперимента на горе Вильсон ему удалось обнаружить некое легкое вещество, но, скорее всего, его обманули температурные колебания. В 1936 году Майкельсон своими экспериментами в горах лишь подтвердил полученные ранее результаты.

Конечно, Майкельсону хотелось иного. Но тут он повторно женился, завел вторую семью и стал нобелевским лауреатом. Несмотря ни на что, он не отказывался от своей идеи: эфир, утверждал он, — «одно из величайших обобщений современной науки, про которое мы можем сказать все, что угодно, но только не то, что оно ложно, даже если это и так».

Он умер в 1931 году, всего через несколько месяцев после того, как встретился с Эйнштейном, специальная теория относительности которого объясняла истинное величие прекрасного эксперимента, поставленного Майкельсоном и Морли; вопреки своим ожиданиям они доказали, что ни в пространстве, ни во времени нет никакой фиксированной реперной точки, по отношению к которой можно проводить измерение истинного движения. При движении во Вселенной наши мерные палочки будут то удлиняться, то укорачиваться, а наши часы будут то ускорять, то замедлять свой ход, чтобы существующий эталон оставался неизменным. И этот эталон — не эфир, а скорость света.