Американские ученые и изобретатели - Митчел Уилсон

Только через сто семьдесят три года, в 1849 году, стало возможным измерение скорости света, проходящего между двумя точками на поверхности Земли. Выбрали расстояние в 10 миль. Французский ученый Физо поставил эксперимент, посылая импульсы света на удаленное зеркало и измеряя время, требующееся на возвращение луча. Свет разбивался на импульсы следующим образом. Луч проходил сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. При достаточно быстром вращении диска импульс света доходил до зеркала и возвращался обратно как раз за то же время, в течение которого диск поворачивался на небольшой угол — на ширину одного промежутка между выступами. На диске Физо было 720 выступов, и он делал ровно 25 оборотов в секунду. Зная расстояние от источника света до зеркала и обратно, Физо подсчитал скорость света и получил 194 тысячи миль в секунду.

Примерно через 20 лет, когда Майкельсон преподавал в Аннаполисе, проблема скорости света приобрела новое, чрезвычайно важное значение. Недавно сформулированная Максвеллом электромагнитная теория света утверждала, что скорость света должна быть меньше в воде, чем в воздухе. С другой стороны, из корпускулярной теории Ньютона следовало, что скорость света в воде больше, чем в воздухе. В 60-е и 70-е годы XIX века выяснение этого противоречия стало наиболее актуальным исследованием в физике. Науке необходим был способ точного измерения скорости света в любой среде.

Майкельсон говорил: «Тот факт, что скорость света непостижима для человеческого представления и, с другой стороны, существование принципиальной возможности ее измерения с чрезвычайной точностью, делают эту задачу одной из самых увлекательных проблем, когда-либо стоявших перед исследователем».

Знание скорости света было важно также для многих астрономических проблем навигации. Конгресс даже выделил средства известному американскому астроному Саймону Ньюкомбу для работы над этой проблемой. В 1877 году юный младший лейтенант Майкельсон неожиданно придумал метод измерения скорости света с помощью простейшего аппарата. Результаты его работы были опубликованы в журнале «Америкэн Джорнэл оф Сайенс» шесть месяцев спустя, в мае 1878 года.

В то лето тесть Майкельсона дал ему 2 тысячи долларов на усовершенствование аппарата. Путь луча был увеличен более чем в 30 раз и доведен до 700 метров, смещение изображения равнялось 13,3 сантиметра вместо двух. Максвелл предсказывал, что скорость света должна равняться 300 тысячам километров в секунду. Результат Майкельсона составлял 299 895 ±30 километров в секунду. Он подтвердил предположение Максвелла с точностью до одной десятитысячной.

В течение всей своей жизни Майкельсон постоянно возвращался к этому измерению, пытаясь бесчисленными способами еще более уточнить результат. В 1926 году, когда ему было семьдесят четыре года, он применил систему, в которой луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио, то есть на 22 мили и обратно. Вращающееся зеркало было изготовлено с чрезвычайной точностью, и оно приводилось в движение специально разработанным методом. Майкельсон подтвердил результат своих предыдущих измерений.

Два года спустя, в 1928 году, в возрасте семидесяти шести лет, Майкельсон получил средства для измерения скорости света в вакууме. Деньги на это ему дали обсерватория Маунт-Вильсон, Чикагский университет, фонд Рокфеллера и корпорация Карнеги. Ассистентами Майкельсона были Ф. Г. Пиз и Ф. Пирсон. Сотрудники Береговой геодезической службы Соединенных Штатов разметили и вымерили расстояния для громадного прибора на ранчо Эрвин. Вакуум предполагалось создать в трубе из гофрированного стального проката длиной почти в милю. Труба имела 3 фута в диаметре и доставлялась на место опыта 60-футовыми секциями.

Посредством многократного отражения свет должен был проходить расстояние в 8 миль, вымеренное с точностью до одной миллионной. Во всей системе создавалось разрежение, равное одной полуторатысячной части земной атмосферы. Выкачивание воздуха продолжалось 48 часов. Все время то одна, то другая часть выходила из строя, вакуум нарушался, и приходилось снова начинать долгий процесс откачки.

Если первый прибор в Аннаполисе стоил 10 долларов, то эта система обошлась в 50 тысяч долларов. Это был самый грандиозный проект Майкельсона. В то время как шла работа, здоровье его начало сдавать. Пирсон произвел непосредственные измерения под руководством умирающего.

В 1930 году были произведены сотни наблюдений. Всего было поставлено почти 3 тысячи опытов. Скорость света в вакууме оказалась равной в среднем 299774 километрам в секунду. Научная статья, написанная Майкельсоном перед смертью, называлась точно так же, как и его первая работа, напечатанная в 1878 году в Аннаполисе — «О методе измерения скорости света».

Эфирный дрейф

Майкельсон был величайшим мастером приборов. Его измерения скорости света стали примером классической точности. Его шедевром был прибор такой удивительной чувствительности, что им можно было с одинаковой легкостью измерить крохотную длину одной световой волны и диаметр звезды, которая в двести пятьдесят раз больше Солнца. Прибор Майкельсона дал Эйнштейну первое экспериментальное подтверждение его революционной теории относительности.

Майкельсон изобрел этот прибор — интерферометр в 1880 году, два года спустя после того, как впервые измерил скорость света; ему было тогда всего двадцать восемь лет.

Об Одаренности ученого можно судить по глубине его проникновения в наиболее трудные проблемы своего времени. Майкельсон выдержал это испытание. Самым волнующим научным достижением того времени была теория Максвелла, утверждавшая, что вселенная заполнена веществом, которое называется эфир. Еще за двести лет до Максвелла первым выдвинул гипотезу о существовании эфира Христиан Гюйгенс. Ко времени Максвелла эфиру приписывали уже множество различных свойств.

Сэр Оливер Лодж, один из пионеров радио, считал, что эфир — «некая беспрерывная субстанция, заполняющая все пространство. Ее колебания являются светом; ее можно разделить на положительное и отрицательное электричество; сгустки ее составляют материю; из-за собственной непрерывности, а не путем столкновений, она передает любое действие и противодействие, на которое способна материя».

Поскольку каждая теория в физике XIX века основывалась на существовании эфира, Майкельсон задался целью установить, действительно ли он существует.

Метод Майкельсона был основан на том же явлении, которое вызывает радужные цвета на тонкой пленке масла на поверхности лужи. Большая часть солнечного света отражается от наружной поверхности масляной пленки, в то время как остальной свет проникает внутрь пленки и отражается от ее нижней поверхности. При определенных углах падения света оба отражения накладываются одно на другое. Волны света, так же, как волны в воде, взаимно уничтожают или усиливают друг друга в зависимости от того, совпадает ли гребень одной волны с впадиной или гребнем другой. Есть некоторая разница в длине волн тех цветов, которые составляют белый цвет. При интерференции света некоторые цвета исчезают, и вместо них на масле появляется черная полоска. Там же, где цвета усиливаются, видны полосы хроматически чистых цветов спектра.

Интерферометр Майкельсона, спроектированный им во Франции, расщеплял луч света надвое, подобно тому как две поверхности масляной пленки разделяют солнечный свет. Майкельсон заставил каждый луч света проходить свой особый путь, а потом соединял их снова. Если два пути света слегка отличались друг от друга — как если бы один из них отражался от наружной, а другой от нижней поверхности тонкой масляной пленки, — наблюдатель мог видеть-попеременные светлые и темные полоски. Так как длина световой волны известна, то можно подсчитать неуловимо ничтожную разницу в расстоянии, которое проходил каждый луч.

Оригинальность идеи Майкельсона состояла в том, что, прежде чем соединить оба луча, он направлял их под прямым углом друг к другу.

Если один световой луч идет в направлении движения Земли в пространстве, то есть в эфире, а другой направлен к первому под прямым углом, то должна быть заметная разница в расстояниях, пройденных обоими лучами. Поясним это на таком примере. Представьте себе двух равных по силе пловцов в реке с сильным течением и шириной в милю. Одному пловцу предложили бы пересечь реку и вернуться обратно, второму — проплыть милю вниз по течению и обратно. Пловца, пересекавшего реку, все время сносило бы вниз по течению, и вернулся бы он несколько ниже того места на берегу, откуда отправился. Второй пловец проплыл бы первую часть пути легко, но возвратился бы с большим трудом. На заплыв ему понадобилось бы значительно больше времени, чем первому. Зная время, затраченное каждым пловцом, можно узнать скорость течения.