Рис. 1.5. Эдвард Уильямс Морли (1839–1923)

Эдвард Уильямс Морли родился 29 января 1838 г. в Ньюарке (США) в семье священника. Он получил теологическое образование и некоторое время даже был священником конгрегационалистской церкви. Однако постепенно интересы Морли сместились в область естествознания. Он начал преподавать химию и одновременно вести экспериментальные исследования. В химии Морли был страстным поборником точных количественных экспериментов и к началу сотрудничества с Майкельсоном уже завоевал репутацию серьезного исследователя. Однако наибольшую известность получили его работы в области интерферометрии, выполненные совместно с Майкельсоном. В химии же высшим достижением Морли было точное сравнение атомных масс элементов с массой атома водорода, за которое ученый был удостоен наград нескольких научных обществ.

Б. Джефф.

Майкельсон и скорость света

В эфирной модели Майкельсона мы видим материальную всепроникающую субстанцию в своей абсолютной неподвижности (относительно своих же частей), дающей совершенную систему отсчета для любых движений во Вселенной. В таком случае наблюдатель, находящийся на поверхности Земли и несущийся вместе с ней в пространстве вокруг Солнца, должен ощущать «эфирный ветер» подобно тому, как стоящий на палубе идущего с большой скоростью судна матрос чувствует на лице дуновение ветра, хотя на самом деле воздух совершенно спокоен. 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 ход дальнейших рассуждений. Каждому пловцу известно, даже если он не понимает причины такого явления, что легче переплыть движущийся поток воды поперек и вернуться назад, нежели преодолеть 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 быстрее, чем вверх по течению и назад.

Вспомните катание на роликах, коньках или велосипеде. Даже при совершенном безветрии (как говорят моряки, штиле) во время движения чувствуется ток воздуха как результат перемещения относительно него.

Майкельсон считал, что сможет обнаружить эфирный ветер, налетающий на Землю, при ее движении в неподвижном эфире. Для своего эксперимента он сконструировал довольно сложную установку, но сама схема опыта была очень проста – ученый измерял скорость света вдоль и поперек полета Земли в эфирном океане. Ясно, что, если ветер дует вам навстречу, ваша скорость снижается, а если сбоку, то только нарушается ваше равновесие.

Пользуясь этой простой аналогией, Майкельсон рассудил, что эфир будет меньше замедлять свет, если он 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. Экспериментатор построил схему своего опыта 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 – одного из свойств волнового движения. Оно выразится в том, что в точке пересечения волн двух лучей получатся перемежающиеся полосы света, известные как характерная картина интерференции.

Объясняя результаты эксперимента Майкельсона – Морли, можно было, конечно, вернуться к средневековой картине мира в геоцентрической системе отсчета с абсолютно неподвижной Землей, вокруг которой вращалась бы вся остальная Вселенная. Но со времен Коперника ученые уже получили много экспериментальных доказательств движения Земли. Да и кто же в конце «просвещенного» века пара и электричества мог согласиться с абсурдной идеей обращения гигантского светила, которое в 1 300 000 раз больше Земли, вокруг нашей планеты? Ну а звезды, чудовищные по размерам и массе и отстоящие от нас на расстояния, измеряемые уже даже не привычными километрами, а космическими световыми годами, проходимыми светом с невообразимой скоростью в 300 000 км/с? Какие совершенно невообразимые скорости должны были бы иметь звездные маяки Вселенной, отстоящие на миллионы световых лет, чтобы успеть за сутки обернуться вокруг космической пылинки под названием Земля!

Казалось бы, Майкельсон задумал вовсе не такой уж трудный опыт, однако на самом деле осуществить его было в высшей степени сложно. Ведь свет распространяется с огромной скоростью, пролетая в пространстве 300 000 км за каждую секунду, а замедление одного из лучей будет в самом лучшем случае ничтожно мало. Наша Земля движется по орбите тоже с немалой скоростью, оставляя за собой каждую секунду где-то по 30 км, но свет все равно распространяется в 10 000 раз быстрее. Для проведения такого опыта нужен был прибор необычайной чувствительности в сочетании с безукоризненной техникой экспериментатора. Малейшая неточность инструментов, неуловимая ошибка человека, проводящего опыт, – и все результаты пойдут насмарку. Итак, Майкельсон и Морли начали серию своих измерений… Опыты повторялись много раз в различное время суток и года и всегда давали четкий отрицательный результат. Движение эфира зафиксировать не удавалось, и скорость света была абсолютно одинакова во всех направлениях!

Опыты завершились в июле 1887 г. Когда все результаты были сведены воедино и проанализированы, а все подсчеты сделаны и неоднократно проверены, исследователи оказались перед лицом упрямого факта, разрушавшего всю их 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 колебания, в том числе световые волны? Опять результат тонко задуманного и блестяще выполненного эксперимента привел Майкельсона в полное недоумение.

Какой же вывод можно было сделать из такого решительно не удавшегося эксперимента?

Майкельсон и Морли послали свое сообщение под заглавием «Об относительном движении Земли и светоносного эфира» в крупнейшее научное периодическое издание того времени – The American Journal of Science. В том же году оно было также напечатано в английском Philosophical Magazine, и парадоксальные результаты опытов американских физиков стали известны ученым всего мира.

Получалось, что в каком бы направлении 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 по-прежнему будет убегать от вас со скоростью 300 000 км/с. Такое заключение противоречило всему человеческому опыту. Самолет, который летит со скоростью 600 км/ч при попутном ветре, дующем со скоростью 50 км/ч, делает относительно какой-нибудь неподвижной точки 650 км/ч. Если же он летит против ветра, его скорость уменьшится до 550 км/ч. Поскольку Земля движется вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км/с, скорость светового луча, идущего в одном с Землей направлении, должна быть больше скорости луча, идущего в обратном направлении. Однако опыт Майкельсона опровергал это предположение.