В апреле 1881 г. был предложен и испытан метод для решения этого вопроса.
При выводе формулы для измеряемой величины тогда было упущено из виду
влияние движения Земли через эфир на путь луча, перпендикулярного этому
движению. (Здесь можно отметить, что ошибка была указана автору последней
работы А. Потье (Париж) зимой 1881 г.) Обсуждение этого упущения и всего
эксперимента составляет предмет очень глубокого анализа Г.А. Лоренца,
который выяснил, что данным эффектом ни в коем случае нельзя пренебрегать.
Как следствие, в действительности величина, которая должна быть измерена,
составляет только половину предполагавшейся величины, и, поскольку
последняя уже была едва за пределами ошибок эксперимента, выводы, сделанные
из результатов опыта, могли вполне основательно подвергаться сомнению.
Однако, поскольку основная часть теории сомнению не подлежит, было решено
повторить эксперимент с такими изменениями, которые давали бы уверенность в
том, что теоретический результат достаточно велик, чтобы не быть скрытым
экспериментальными погрешностями. Теория метода может быть кратко изложена
следующим образом.
[pic]
Рис. 1. Схема интерферометра Майкельсона
Пусть sa (рис. 1а) – луч света, который частично отражается по аb, а
частично проходит по ас и возвращается зеркалами b и c по ba и ca. Луч ba
частично пропускается по ad, и са частично отражается по ad. Тогда, если
пути аb и ас равны, два луча интерферируют вдоль ad. Предположим теперь,
что эфир находится в покое, а весь прибор движется в направлении sc со
скоростью движения Земли по орбите. Направления и расстояния, проходимые
лучами, изменяются так. Луч sa отражается по аb (рис. 1б), причем угол bab1
равен углу аберрации ?, возвращается по ba1 (aba1 = 2?) ? попадает в фокус
зрительной трубы, направление которой не меняется. Пропущенный луч идет по
ас, возвращается по са и отражается в а1, образуя угол са1е. равный 90° –
?, и поэтому все-таки совпадает с первым лучом. Можно отметить, что теперь
лучи ba1 и са1 не встречаются в точности в одной и той же точке а1, хотя
разность составляет величину второго порядка малости; это не влияет на
справедливость рассуждений. Пусть теперь требуется найти разность двух
путей света аbа1 и аса1.
Пусть V – скорость света; v – скорость движения Земли по орбите; D – расстояние аb или ас; Т – время, которое требуется свету для прохождения от а до с, Т1 – время, необходимое свету для возвращения от c к а1 (рис. 1а).
Тогда Т = D / (V – v), Т1 = D / (V + v).
Полное время движения туда и обратно равно
T + T1 = 2D · V / (V2 – v2), и расстояние, пройденное за это время, равно
2D · V2 / (V2 – v2) ? 2D · (1 + v2/V2), если пренебречь членами четвертого порядка.
Длина другого пути, очевидно, равна
[pic]
или с той же точностью 2D · (1 + v2 / V2).
Поэтому разность равна D · v2/V2. Если теперь повернуть весь прибор на
90°, то разность будет наблюдаться в противоположном направлении;
следовательно, смещение интерференционных полос должно быть 2D · v2/V2.
Учитывая только орбитальное движение Земли, это должно быть равно 2D ·10–8.
Если, как было в первом эксперименте, D = 2·106 длин волн желтого света, то
ожидаемое смещение должно составлять 0,04 расстояния между
интерференционными полосами. В первом эксперименте одна из основных
встретившихся трудностей состояла в приведении прибора во вращение без
создания искажений, другая же – его крайняя чувствительность к вибрациям.
Она была столь велика, что при работе в городе, даже в два часа ночи,
невозможно было наблюдать интерференционные полосы, кроме как в течение
коротких промежутков времени. В итоге, как уже отмечалось, величина,
которая должна была наблюдаться, а именно смещение, несколько меньшее, чем
одна двадцатая часть расстояния между интерференционными полосами, могла
быть слишком малой, чтобы быть зарегистрированной, когда она маскируется
погрешностями эксперимента.
Первая из названных трудностей была полностью устранена путем установки прибора на массивный камень, плавающий в ртути; вторая же была преодолена посредством увеличения пути света вследствие повторных отражений до величины, почти в десять раз превосходившей первоначальную.
[pic]
Рис. 2. Внешний вид интерферометра
Вид прибора показан на рис. 2, его вертикальное сечение – на рис. 3, а
ход лучей в нем – на рис. 4. Камень а (рис. 4) имел площадь около
1,5 х 1,5 м и толщину 0,3 м. Он покоился на кольцеобразном деревянном
поплавке bb с внешним диаметром 1,5 м, внутренним диаметром 0,7 м и
толщиной 0,25 м. Поплавок располагался на ртути, содержавшейся в чугунном
лотке cc толщиной 1,5 см и таких размеров, что вокруг поплавка в нем
оставалось свободное пространство около сантиметра.
[pic]
Рис. 3. Разрез опоры интерферометра
Шпилька d, направляемая рычагами gggg, совпадает с гнездом е, проделанным в поплавке. Посредством ручки, надетой в f, она может либо вставляться в гнездо, либо выниматься из него. Эта шпилька делает поплавок соосным с лотком, но не несет ни малейшей части веса камня. Кольцеобразный чугунный лоток опирается на цементную подложку, лежащую на низком кирпичном основании, выложенном в форме полого восьмиугольника.
В каждом углу камня помещалось по четыре зеркала ddee (рис. 3). Вблизи центра камня находилась плоскопараллельная стеклянная пластинка b. Все это было расположено так, что свет от горелки Аргана5 а, проходя через линзу, падал на b таким образом, чтобы частично отражаться к d1. Два пучка, показанные на рисунке, проходили пути bdedbf и bd1e1d1bf соответственно и наблюдались в зрительную трубу f. И труба f, и горелка а вращались вместе с камнем. Зеркала были сделаны из зеркальной бронзы и тщательно обработаны до получения оптически плоских поверхностей 5 см в диаметре: стекла b и с были плоскопараллельными, одинаковой толщины 1,25 см; их поверхности имели размеры 5,0 х 7,5 см. Второе стекло ставилось на пути одного из пучков, чтобы скомпенсировать прохождение второго пучка через стекло той же толщины. Вся оптическая часть прибора содержалась под деревянным кожухом для предотвращения воздушных потоков и быстрых изменений температуры.
[pic]
Рис. 4. Ход лучей в интерферометре
Настройка проводилась так. С помощью винтов в отливках, удерживавших зеркала, к которым последние прижимались пружинами, зеркала устанавливались так, чтобы свет обоих пучков мог быть виден в зрительную трубу. Посредством легкого деревянного стержня, достававшего по диагонали от зеркала до зеркала, измерялись длины двух путей, причем расстояния отсчитывались по маленькой стальной шкале с точностью до десятых долей миллиметра. Затем разность длин двух путей ликвидировалась путем передвижения зеркала е1. Это зеркало имело три регулировки; имелись регулировки по высоте и азимуту, как и у других зеркал, но только более тонкие, а также регулировка в направлении падающего пучка, благодаря ему оно скользило взад и вперед, оставаясь, однако, с высокой точностью параллельным своей начальной плоскости. Все три регулировки могли производиться при закрытом деревянном кожухе.
Поскольку теперь пути были приближенно равны, два изображения источника
света или какого-либо другого хорошо очерченного предмета сводились вместе
и зрительная труба оказывалась настроенной на отчетливое наблюдение
ожидаемых интерференционных полос. Когда они появлялись, белый свет
заменялся на свет натрия. Путем регулировки зеркала е1 полосы делались
настолько отчетливыми, насколько это было возможно; затем возвращался белый
свет, а винт, меняющий длину пути, приводился в очень медленное вращение
(один оборот винта с сотней шагов резьбы на один дюйм менял путь примерно
на 1000 длин волны) до тех пор, пока окрашенные интерференционные полосы не
покажутся вновь в белом свете. Это давало удобную ширину и положение полос,
и теперь прибор был готов для наблюдений.
Наблюдения проводились следующим образом. Вокруг чугунного лотка имелось
шестнадцать эквидистантных отметок. Прибор приводился в очень медленное
вращение (один оборот за шесть минут), и через несколько минут в момент
прохождения одной из отметок пересечение нитей микрометра наводилось на
самую яркую интерференционную полосу. Вращение происходило столь медленно,
что это можно было сделать легко и точно. Отмечалось показание головки
винта микрометра и делался очень легкий и плавный толчок для поддержания
движения камня. При прохождении следующей отметки процедура повторялась, и
все это продолжалось до тех пор, пока прибор не завершал шесть оборотов.
Было обнаружено, что при поддержании прибора в состоянии медленного
равномерного движения результаты оказывались гораздо более однородными и
согласующимися между собой, чем когда камень останавливался для каждого
наблюдения, поскольку эффекты деформаций могли быть заметными по крайней
мере в течение полуминуты после того, как камень остановился, а за это
время вступали в действие эффекты изменения температуры.
|Полуденные наблюдения |
8 июля |61,2 |63,3 |63,3 |68,2 |67,7 |69,3 |70,3 |69,8 |69 |71,3 |71,3
|70,5 |71,2 |71,2 |70,5 |72,5 |75,7 | |9 июля |26 |26 |28,2 |29,2 |31,5 |32
|31,3 |31,7 |33 |35,8 |36,5 |37,3 |38,8 |41 |42,7 |43,7 |44 | |12 июля
|66,8 |66,5 |66 |64,3 |62,2 |61 |61,3 |59,7 |58,2 |55,7 |53,7 |54,7 |55
|58,2 |58,5 |57 |56 | |Среднее |51,3 |51,9 |52,5 |53,9 |53,8 |54,1 |54,3
|53,7 |53,4 |54,3 |53,8 |54,2 |55 |56,8 |57,2 |57,7 |58,6 | |Среднее в
длинах волн |1,026 |1,038 |1,05 |1,078 |1,076 |1,082 |1,086 |1,074 |1,068
|1,086 |1,076 |1,084 |1,1 |1,136 |1,144 |1,154 |1,172 | | |1,068 |1,086
|1,076 |1,084 |1,1 |1,136 |1,144 |1,154 |1,172 | | | | | | | | |
|Конечное среднее |1,047 |1,062 |1,063 |1,081 |1,088 |1,109 |26 |1,114
|1,12 |11 | | | | | | | | |
Таблица дают среднее шести отсчетов: для наблюдений, выполненных около полудня и для наблюдений около шести часов вечера. Отсчеты – это деления головки винта. Ширина полос менялась от 400 до 60 делений, причем среднее значение составляло около 50, так что одно деление означает 0,02 длины волны. При полуденных наблюдениях вращение производилось против часовой стрелки, при вечерних – по часовой стрелке. Результаты наблюдений представлены графически на рис. 5. Кривая 1 соответствует полуденным наблюдениям, кривая 2 – вечерним. Пунктирные линии показывают одну восьмую теоретического смещения1. Из рисунка возможно сделать вывод о том, что если и существует какое-либо смещение благодаря относительному движению Земли и светоносного эфира, оно не может быть значительно больше, чем 0,01 расстояния между полосами.
[pic]
Рис. 5. Графики результатов наблюдений
При учете лишь движения Земли по орбите это смещение должно быть равно 2D
· v2/V2 = 2D ·10–8. Расстояние D составляло около 11 м, или 2107 длин волн
желтого света; следовательно, ожидавшееся смещение равно 0,4 полосы.
Действительное смещение было, безусловно, меньше, чем одна двадцатая часть
этой величины, и, вероятно, меньше, чем одна сороковая. Но поскольку
смещение пропорционально квадрату скорости, относительная скорость Земли и
эфира, вероятно, меньше, чем одна шестая часть орбитальной скорости Земли,
и безусловно меньше, чем одна четвертая.
В вышеизложенном учитывалось только орбитальное движение Земли. Если его сложить с движением Солнечной системы, относительно которого, однако, мало что известно с достоверностью, вероятно, результаты следует модифицировать; и вполне возможно, что результирующая скорость во время наблюдений была мала, хотя против этого и очень много шансов. Поэтому эксперимент должен быть повторен с интервалами в три месяца, и таким образом будут преодолены все неопределенности.
Из всего изложенного довольно определенно следует, что если существует
какое-либо относительное движение Земли и светоносного эфира, то оно должно
быть настолько мало, чтобы полностью отказаться от френелевского объяснения
аберрации. Стокс дал теорию аберрации6, которая предполагает, что эфир на
поверхности Земли находится по отношению к ней в состоянии покоя, и в
дополнение требует, чтобы относительная скорость имела потенциал; но Лоренц
показал, что эти условия несовместимы. Тогда Лоренц предложил
усовершенствованную теорию, которая соединяет некоторые идеи Стокса и
Френеля и предполагает существование потенциала наряду с коэффициентом
Френеля. Если теперь из настоящей работы позволительно заключить, что эфир
покоится относительно поверхности Земли, то, согласно Лоренцу, не может
быть потенциала скорости и его собственная теория также терпит неудачу
(...)
Заключение
Альберт Майкельсон вошел в историю науки как гений физического
эксперимента, непревзойденный мастер прецизионных измерений. Диапазон
выполненных им работ поразителен v от точнейшего измерения длины световой
волны (порядка 0,5 микрона) до измерения диаметра гигантской звезды
Бетельгейзе (примерно 380 миллионов километров). В 1907 году ему была
присуждена Нобелевская премия по физике.
Львиную долю своего времени он отдавал научной работе. Но когда на него
"находило настроение", уходил на берег моря или в горы, взяв с собой
акварельные краски и мольберт. Однажды его уговорили дать несколько
акварелей на выставку в Чикагском университете. Одна из посетительниц
выставки подошла к нему и сказала:
«Мистер Майкельсон, по-моему, вы совершили ошибку, отказавшись от искусства в пользу науки».
Майкельсон пристально посмотрел на собеседницу и произнес:
«Но я и не думал отказываться от искусства. Ведь только в науке искусство может найти свое высочайшее выражение».
Гении не бывают без странностей. При всей своей любви к живописи
Майкельсон никогда не заходил в картинные галереи. Испытывая большое
удовольствие от игры на скрипке, очень редко посещал концерты.
Заинтересовавшись такими далекими от его профессии предметами, как зоология
и ботаника, Майкельсон опубликовал работу "О металлической окраске птиц и
насекомых" со своими собственными рисунками.
После смерти Альберта Майкельсона о нем много говорили и писали. Но,
пожалуй, суть дела лучше всего выразил его великий тезка Альберт Эйнштейн:
«Доктор Майкельсон был одним из величайших художников в мире научного
эксперимента».
Некоторые ученые не верят в это до сих пор, находят в опытах Майкельсона
– Морли ошибки и призывают пересмотреть теорию относительности Эйнштейна.
Литература
1. Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки. М.: Высш. шк.,
1989. – 576 с.
2. Майкельсон А.А. Исследования по оптике. М. – Л., 1928.
3. Майкельсон А.А. Световые волны и их применение. М. – Л., 1934.
4. Биография А. Майкельсона, написанная его дочерью: Livingston Michelson
D. The master of light. N. Y., 1973.
Страницы: 1, 2
