Альберт Мейкельсон – великий оптик
Физики XIX века имели все основания гордиться своей наукой. Теория электромагнитного поля, кинетическая теория газов сделали понятным необычайно широкий круг явлений. Почти все поддавалось расчетам, исчезли таинственные электрические и магнитные жидкости, исчез теплород. Все сводилось к движению атомов, а открытие электрона сулило новые успехи. Один из самых крупных физиков того времени, всеми уважаемый Вильям Томсон, которому за его научные заслуги был дарован титул лорда Кельвина, с удовлетворением отмечал в своем докладе 27 апреля 1900 года достижения физики.
Но все же мудрый Томсон был не вполне спокоен: «Две тучи», как он говорил, заслоняли от него ясное небо. Одна (по счету Томсона, вторая) — это нелады с теорией теплоемкости: нельзя было каждой степени свободы колеблющейся молекулы приписать тепловую энергию кТ (к — постоянная Больцмана, Т — температура). С этой трудностью, получившей название ультрафиолетовой катастрофы, справился Макс Планк. Ну а «первая туча,— по словам Томсона,— появилась вместе с волновой теорией света и связана с именами Френеля и Томаса Юнга; она содержит вопрос: как может Земля двигаться сквозь упругое твердое тело, каким должен быть светоносный эфир?» Представлению о спокойном обтекании эфиром Земли, движущейся со скоростью 30 км/с, противоречили опыты Майкельсона и Морли. (Речь идет об опытах, опубликованных в декабре 1887 года.)
Имя Майкельсона стало одним из самых популярных в научных кругах после того, как в августе 1881 года вышла его статья «Относительное движение Земли и светоносного эфира». Никакого признака движения Земли сквозь эфир Майкельсону обнаружить не удалось. Сам автор не скрывал своего огорчения, и в лекции, прочитанной в 1899 году, говорил: «Этот опыт имеет для меня исторический интерес, так как именно для решения указанной задачи был изобретен интерферометр. Вероятно, всякий согласится, что произведенная нами работа в достаточной степени вознаградила нас за отрицательный результат опыта тем, что привела к изобретению интерферометра».
Мы знаем, что отрицательный результат опыта Майкельсона был предвестником рождения новой физики, а изобретение интерферометра дало возможность астрономии увеличить разрешение телескопов и раздвинуть границы познаваемой Вселенной. Вряд ли стоит сейчас взвешивать, какой вклад Майкельсона в науку более важен.
Начало
Альберт Авраам Майкельсон родился 19 декабря 1852 года в городе Стрельно, который в 1772 году достался Германии при разделе Польши. В 1855 году двухлетнего Альберта привезли в Калифорнию, и свое детство он провел в лагере золотоискателей, где его отец занимался мелкой торговлей. Когда после окончания школы (в Сан-Франциско) возник вопрос о продолжении образования, то, казалось, ничто не мешало свободному выбору: молодая страна искала и поощряла всякую инициативу. Но инициатива требовала денег, а их в многодетной семье Майкельсона как раз и не было.
Проявив незаурядную энергию, характерную для первых поселенцев, Майкельсон добивается приема в Морскую академию США. Но для этого ему понадобилось встретиться с самим президентом страны Грантом. Знал ли Грант тогда, что, помогая молодому просителю, поймавшему его у ворот Белого дома, он совершит одну из самых благородных акций своего правления?
Майкельсон успешно окончил академию, прослужил положенные два года на флоте и в 1874 году вернулся в академию, но уже преподавателем физики и химии. В 22 года ничего не предвещало младшему лейтенанту блестящей научной карьеры. В жизни ученого всегда наступает решающий момент, когда надо правильно выбрать дорогу. Выбор бывает случаен, бывает сознателен, однако очень часто именно этот момент и определяет всю жизнь ученого.
Выбор Майкельсона оказался точным, хотя он и работал в полном одиночестве и ему не у кого было спрашивать совета. Он избрал своим полем деятельности оптику. Размышляя о том, как распространяется свет, Майкельсон удивлялся, что одна из фундаментальных величин — скорость света — известна очень плохо. Более того, никто серьезно и не думал над тем, как ее точнее измерить. С поисков решения этой задачи Майкельсон начал свою жизнь в науке. Первая работа Майкельсона была опубликована в 1878 году, она называлась «Метод измерения скорости света». Последняя вышла в 1935 году, уже после его смерти (Майкельсон умер 9 мая 1931 года), она была сделана в соавторстве с Ф. Пизом и Ф. Пирсоном и называлась «Измерение скорости света в частичном вакууме».
Скорость света
Все, сделанное Майкельсоном, было выполнением единого стратегического плана. В основе этого плана лежала идея о повышении точности измерений. Если посмотреть на таблицу, где собраны результаты измерений скорости света от Рёмера до наших дней, то числа в строках таблицы, связанные с именем Майкельсона, отличаются в четвертом знаке от тех, которые давали его предшественники. За свою жизнь Майкельсон уменьшил ошибку в значении скорости света в 100 раз — с 200 до 2 км/с. (Заметим, что за сорок лет после Майкельсона ошибка понизилась еще в 2000 раз.)
Уменьшение ошибки, однако, не есть просто техническое достижение. На самом деле Майкельсон был первым, кто поставил задачу разработать метод точных измерений в оптике. Вряд ли в то время кому-нибудь казалось важным получить больше знаков (большую точность) в значении скорости света. Огромная величина этой скорости поражала современников Майкельсона, но ни кого из них не привлекала перспектива посвятить свою жизнь точному измерению этой, казалось бы, бесполезной величины.
Мы не знаем, конечно, что заставило Майкельсона заинтересоваться именно скоростью света. Может быть, курс оптики в академии был поставлен лучше других, может быть, еще какое-либо событие подтолкнуло его к размышлениям. Как бы то ни было, Майкельсон увидел в этом достойную задачу, за которую он и взялся с неукротимым упорством. «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»,— говорил Майкельсон.
Совершенствуя опыт своих предшественников, он пришел к идее нового прибора — интерферометра. Новый прибор оказался настолько точным, что с его помощью можно было измерить скорость света и даже попытаться решить более дерзкую задачу: исследовать, как влияет движение Земли на распространение света в эфире — веществе, заполняющем Вселенную.
Интерферометр
Идея интерферометра привела Майкельсона к астрономии. Он был первым, кто использовал когерентность для измерения диаметра звезд.
Когда оптики говорили о когерентном свете, то подразумевалось, что источник такого света – точечный. Излучения от разных точек светящегося тела накладываются беспорядочно друг на друга, и интерференция не наблюдается. Майкельсон заметил, что свет от некогерентного источника, каким является светящийся диск звезды, может все же дать интерференционную картину, если только угол, под которым мы ее наблюдаем, достаточно мал. В этом случае интерференционные картины от разных точек источника различаются мало и, накладываясь друг на друга, почти не искажают суммарную картину. Интерференция исчезает, лишь когда интерференционные картины от крайних точек источника сдвигаются, например, на одну полосу.
Занимаясь усовершенствованием интерферометра, Майкельсон уяснил еще одну очень важную вещь. Он понял, что для точных измерений нужен точный эталон длины и таким эталоном может быть только длина волны. Майкельсон оценивал ошибку этого естественного эталона в 1: 2000000. Сейчас, когда эталон длины, предложенный Майкельсоном, принят во всем мире, оказалось возможным снизить относительную ошибку до 1:108.
Интересно, что Майкельсон не думал о другом эталоне — эталоне времени. Оптика тогда имела дело лишь с длиной волны. Частота была чужда классической оптике. Частоту не умели ни точно измерить, ни хорошо воспроизводить. Даже сейчас области «частотной» оптики и «волновой» еще не перекрываются. Но эти вопросы мы обсуждать здесь не будем, а перейдем к самой знаменитой работе Майкельсона.
Опыт Майкельсона
Немного в истории физики опытов, да еще с отрицательным результатом, которые приобрели такую известность, как этот. Майкельсону предстояло решить следующую задачу. Считалось, что свет — это колебания какой-то всепроникающей субстанции эфира. Всем было ясно, что если свет есть колебания, то должна существовать субстанция, которая несет на себе свет. В этом к концу XIX века разногласий, по-видимому, не было. Даже Джеймс Максвелл, построивший теорию электромагнитного поля, не сомневался в реальности эфира. Трудности возникли неожиданно.
Дж. Эри решил проверить очевидное следствие элементарной теории светоносного эфира. Известно, что свет звезды отклоняется из-за движения Земли на угол f, тангенс которого равен отношению скоростей Земли и света. Эри заинтересовался, изменится ли угол отклонения, если трубу телескопа наполнить водой. Скорость света в воде меньше, чем в вакууме, в n раз (n — показатель преломления), поэтому, как полагал Эри, f должен увеличиться в n раз. Если бы такой эффект наблюдался, то было бы доказано существование неподвижного эфира, не увлекаемого Землей. Однако опыт показал, что вода не изменяет угол отклонения. Получалось, что эфир, будто бы, увлекается водой, но не полностью, а частично, так что его скорость можно найти умножив скорость воды на коэффициент р.
Такое объяснение опыта дал О. Френель. И. Физо подтвердил выводы Френеля экспериментально. Майкельсон повторил эти опыты. Результат был тот же: эфир частично увлекался водой.
Казалось, что опытным путем обнаружить движение Земли относительно эфира не удастся. Существовала простая идея опыта. Световой пучок раздваивается и проходит к приемнику по двум геометрически одинаковым путям. Поставив на пути одного из лучей стеклянную призму, мы изменим время его прохождения от источника до приемника. Если мы измерим разность фаз обоих лучей, то сможем вычислить скорость света относительно наблюдателя на Земле. Однако опыт лишь подтвердил то, что было известно раньше: эфир частично уносится призмой. Ожидавшийся эффект на самом деле определялся просто разностью скоростей света в воздухе и стекле и никак не зависел от «движения эфира». В результате появилось подозрение, что вообще нельзя определить абсолютную скорость движения, Земли относительно неподвижного эфира, если измерять эффекты, которые определяются отношением скорости Земли к скорости света.
Это утверждение вскоре было доказано Г. Лоренцом. Чтобы обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, нужны были опыты, в которых измерялась бы не разность времен прохождения сигналов, а разность фаз колебаний света, прошедшего различные пути. Столь малые эффекты в оптике никто никогда еще не измерял. Единственным человеком, который отважился на это, был преподаватель физики в Морской академии. Если бы только руководство академии могло предположить, что через много лет точное значение скорости света понадобится навигации!
Майкельсон использовал явление интерференции для измерения скорости света. Свой первый интерферометр он построил в 1880 году. В 1887 году, уже будучи профессором физики в Школе прикладной науки Кейса (Кливленд), он вместе с профессором химии Э. Морли создал интерферометр удивительной чувствительности. По глубокому убеждению авторов, прибор должен был показать смещение интерференционных полос, свидетельствующее о движении Земли сквозь неподвижный эфир, и смещение это должно быть пропорционально. Результат оказался отрицательным. Эффект, если бы он существовал (теория неподвижного эфира, предсказывала смещение примерно на 0,4 полосы), не мог превышать 3—5% от ожидавшегося.
Это был кульминационный момент в жизни Майкельсона. Опыт не подтвердил почти очевидный результат. Надо обладать непоколебимой уверенностью в своих опытах, чтобы объявить о них, не смущаясь тем, что они противоречат здравому смыслу. В истории науки не раз бывало так, что для выигрыша необходимо было иметь смелость объявить о своих результатах, не заботясь о том, поверят тебе другие или нет. Случай Майкельсона тому яркий пример.
Объяснение опыту в рамках теории эфира дала гипотеза Фитцджеральда о сокращении длины движущихся тел. Вывод из опыта Майкельсона — Морли для нас очевиден. Неправильна была не теория неподвижного эфира, а сама идея об эфире. Эфир после опытов Майкельсона стал лишним в теории. Но это понял лишь Альберт Эйнштейн.
Подводя итоги необычайно плодотворной жизни Майкельсона, нужно сказать и о признании его заслуг. К первой награде — степени доктора, представил его Парижский университет в 1895 году, затем в 1899 году последовала такая же награда от Кембриджа.
С 1901 по 1903 год Майкельсон был президентом Американского философского общества, а в 1923 году его избрали президентом Национальной академии наук.
В 1907 году Майкельсону была присуждена Нобелевская премия. Шведская академия наук не отметила знаменитый опыт (как не рискнула отметить и теорию относительности). Нобелевскую премию Майкельсон получил за точные измерения и исследования в области спектроскопии. Сейчас мы знаем, что это была премия за открытие новой эры в оптике. Благодаря Майкельсону фаза световой волны, точнее разность фаз, измеряемая в самых различных условиях, стала одним из важнейших понятий в оптике и радиотехнике.
Современная оптика во всех своих разделах опирается на идеи Майкельсона. Отрицательный результат опытов Майкельсона не был исходным пунктом теории относительности, как это представляется логически мыслящим потомкам. Для Эйнштейна исходными служили уравнения Максвелла и вопрос о том, какой они имеют вид для движущегося наблюдателя. Для этого понадобился анализ понятия одновременности и измерения длин, который развился в специальную теорию относительности. Решение парадокса, поставленного Майкельсоном, пришло само собой. Опыт Майкельсона—Морли тем не менее имел огромное значение, так как он создал атмосферу надвигающейся катастрофы и в высшей степени обострил внимание к принципиальным вопросам физики.
Может быть, здание теории относительности и было бы построено без опытов Майкельсона — Морли, но вряд ли бы его строительство началось без гипотезы Г. Фитцджеральда, без работ Г. Лоренца и А. Пуанкаре, для которых эти опыты были основным стимулом.
Сейчас нам очень трудно предположить, что было бы с физикой, если бы Майкельсон нашел тот эффект, который он искал,— если бы он обнаружил эфирный дрейф. Когда-то Марк Твен (кстати говоря, живший в тех же местах, где провел свое детство Майкельсон) заметил, что его не удивляет, что Колумб открыл Америку, было бы удивительно, если бы он не нашел ее на своем месте. Нам трудно представить, что было бы, если бы Лагранж доказал теорему о параллельных, исходя из других постулатов Эвклида. Столь же трудно представить сейчас физику, основанную на гипотезе неподвижного эфира. Поэтому с полным основанием можно сказать, что в фундамент современной физики Майкельсон заложил один из тех камней, на которых покоится величественное здание науки о природе.
Автор: Я. А. Смородинский.