Альберт Мейкельсон – великий оптик

Альберт Мейкельсон

Фізики XIX століття мали всі підстави пишатися своєю наукою. Теорія електромагнітного поля, кінетична теорія газів зробили зрозумілим надзвичайно широке коло явищ. Майже все піддавалося розрахункам, зникли таємничі електричні та магнітні рідини, зник теплород. Все зводилося до руху атомів, а відкриття електрона обіцяло нові успіхи. Один з найбільших фізиків того часу, всіма шанований Вільям Томсон, якому за його наукові заслуги був дарований титул лорда Кельвіна, із задоволенням відзначав у своїй доповіді 27 квітня 1900 року досягнення фізики.

Але все ж мудрий Томсон був не цілком спокійний: «дві хмари», як він говорив, затуляли від нього ясне небо. Одна (згідно з рахунком Томсона, друга) – це негаразди з теорією теплоємності: не можна було кожному ступеню свободи молекули, що коливається, приписати теплову енергію кТ (к – постійна Больцмана, Т – температура). З цією проблемою, що отримала назву ультрафіолетової катастрофи, впорався Макс Планк. Ну а «перша хмара, – за словами Томсона, – з’явилася разом з хвильовою теорією світла і пов’язана з іменами Френеля і Томаса Юнга; вона містить питання: Як може Земля рухатися крізь пружне тверде тіло, яким повинен бути світлоносний ефір?» Уявленню про спокійне обтікання ефіром землі, що рухається зі швидкістю 30 км / с, суперечили досліди Майкельсона і Морлі. (Йдеться про досліди, опубліковані в грудні 1887 року.)

Ім’я Майкельсона стало одним з найпопулярніших в наукових колах після того, як в серпні 1881 року вийшла його стаття «Відносний рух Землі і світлоносного ефіру». Ніякої ознаки руху Землі крізь ефір Майкельсону виявити не вдалося. Сам автор не приховував свого засмучення, і в лекції, прочитаній в 1899 році, говорив: «цей досвід має для мене історичний інтерес, так як саме для вирішення зазначеного завдання був винайдений інтерферометр. Ймовірно, кожен погодиться, що зроблена нами робота в достатній мірі винагородила нас за негативний результат тим, що привела до винаходу інтерферометра».

Ми знаємо, що негативний результат досвіду Майкельсона був передвісником народження нової фізики, а винахід інтерферометра дало можливість астрономії збільшити дозвіл телескопів і розсунути межі пізнаваного Всесвіту. Навряд чи варто зараз зважувати, який внесок Майкельсона в науку найбільш важливий.

Початок

Альберт Авраам Майкельсон народився 19 грудня 1852 року в місті Стрельно, яке в 1772 році дісталося Німеччині при розділі Польщі. У 1855 році дворічного Альберта привезли до Каліфорнії, і своє дитинство він провів у таборі золотошукачів, де його батько займався дрібною торгівлею. Коли після закінчення школи (в Сан-Франциско) виникло питання про продовження освіти, то, здавалося, ніщо не заважало вільному вибору: молода країна шукала і заохочувала всяку ініціативу. Але ініціатива вимагала грошей, а їх у багатодітній родині Майкельсона якраз і не було.

Проявивши неабияку енергію, характерну для перших поселенців, Майкельсон домагається прийому в Морську академію США. Але для цього йому знадобилося зустрітися з самим президентом країни Грантом. Чи знав Грант тоді, що, допомагаючи молодому прохачеві, який зловив його біля воріт Білого дому, він зробить одну з найблагородніших акцій свого правління?

Майкельсон успішно закінчив Академію, прослужив два роки на флоті і в 1874 році повернувся в академію, але вже викладачем фізики і хімії. Ніщо не віщувало блискучої наукової кар’єри для молодого 22¬-річного лейтенанта. У житті вченого завжди наставав вирішальний момент, коли треба було правильно вибрати дорогу. Як відомо, вибір буває випадковий, або ж свідомий.

Вибір Майкельсона виявився точним, хоча він працював наодинці, тому й не було у кого питати поради. Він обрав своїм полем діяльності оптику. Роздумуючи про те, як поширюється світло, Майкельсон дивувався, що одна з фундаментальних величин – швидкість світла – відома дуже погано. Більш того, ніхто серйозно і не думав над тим, як її точніше виміряти. З пошуків вирішення цього завдання Майкельсон почав своє життя в науці. Перша робота Майкельсона була опублікована в 1878 році, вона називалася «Метод вимірювання швидкості світла». Остання вийшла в 1935 році, вже після його смерті (Майкельсон помер 9 травня 1931 року), вона була зроблена в співавторстві з Ф.Пізом і Ф. Пірсоном і називалася «вимірювання швидкості світла в частковому вакуумі».

Швидкість світла

Все, що зробив Майкельсон, було виконанням єдиного стратегічного плану. В основі цього плану лежала ідея про підвищення точності вимірювань. Якщо подивитися на таблицю, де зібрані результати вимірювань швидкості світла від Ремера до наших днів, то числа в рядках таблиці, пов’язані з ім’ям Майкельсона, відрізняються в четвертому знаку від тих, які давали його попередники. За своє життя Майкельсон зменшив помилку в значенні швидкості світла в 100 разів – з 200 до 2 км/с. (зауважимо, що за сорок років після Майкельсона помилка знизилася ще в 2000 разів.)

Зменшення помилки, однак, не було тільки технічним досягненням. Насправді Майкельсон був першим, хто поставив завдання розробити метод точних вимірювань в оптиці. Навряд чи в той час кому-небудь здавалося важливим отримати більше знаків (більшу точність) в значенні швидкості світла. Величезна величина цієї швидкості вражала сучасників Майкельсона, але нікого з них не приваблювала перспектива присвятити своє життя точному виміру цієї, здавалося б, марної величини.

Ми не знаємо, звичайно, що змусило Майкельсона зацікавитися саме швидкістю світла. Можливо, курс оптики в Академії викладався краще за інші, можливо, ще яка-небудь подія підштовхнуло його до роздумів. Як би там не було, Майкельсон побачив в цьому гідну задачу, за яку він і взявся з неприборканою завзятістю. «Той факт, що швидкість світла незбагненна для людського уявлення і, з іншого боку, існування принципової можливості її вимірювання з надзвичайною точністю роблять це завдання однією з найбільш захоплюючих проблем, які коли-небудь стояли перед дослідником»,— говорив Майкельсон.

Удосконалюючи досвід своїх попередників, він прийшов до ідеї нового приладу-інтерферометра. Новий прилад виявився настільки точним, що з його допомогою можна було виміряти швидкість світла і навіть спробувати вирішити більш зухвале завдання: дослідити, як впливає рух Землі на поширення світла в ефірі – речовині, що заповнює Всесвіт.

Інтерферометр

Ідея інтерферометра привела Майкельсона до астрономії. Він був першим, хто використовував когерентність для вимірювання діаметра зірок.

Коли оптики говорили про когерентність світла, то малося на увазі, що джерело такого світла – точкове. Випромінювання від різних точок тіла, що світиться, накладається безладно одне на одне, і інтерференція не спостерігається. Майкельсон зауважив, що світло від некогерентного джерела, яким є диск зірки, може все ж дати інтерференційну картину, якщо тільки кут, під яким ми її спостерігаємо, досить малий. В цьому випадку інтерференційні картини від різних точок джерела мало чим різняться і, накладаючись одна на одну, майже не спотворюють сумарну картину. Інтерференція зникає, лише коли інтерференційні картини від крайніх точок джерела зсуваються, наприклад, на одну смугу.

Займаючись удосконаленням інтерферометра, Майкельсон усвідомив ще одну дуже важливу річ. Він зрозумів, що для точних вимірювань потрібен точний еталон довжини і таким еталоном може бути тільки довжина хвилі. Майкельсон оцінював помилку цього природного еталону в 1: 2000000. Зараз, коли еталон довжини, запропонований Майкельсоном, прийнятий у всьому світі, виявилося можливим знизити відносну помилку до 1: 108.

Цікаво, що Майкельсон не думав про інший еталон – еталон часу. Оптика тоді мала справу лише з довжиною хвилі. Частота була чужою для класичної оптики. Частоту не вміли ні точно виміряти, ні добре відтворити. Навіть зараз області «частотної» оптики і «хвильової» ще не перекриваються. Але ці питання ми обговорювати тут не будемо, а перейдемо до найзнаменитішої роботи Майкельсона.

Дослід Майкельсона

В історії фізики не так багато дослідів, та ще й з негативним результатом, які набули б такої популярності, як цей. Майкельсону належало вирішити наступне завдання. Вважалося, що світло – це коливання якоїсь всепроникної субстанції ефіру. Всім було ясно, що якщо світло є коливанням, то повинна існувати субстанція, яка несе на собі світло. У цьому до кінця XIX століття розбіжностей, мабуть, не було. Навіть Джеймс Максвелл, який побудував теорію електромагнітного поля, не сумнівався в реальності ефіру. Труднощі виникли несподівано.

Дж. Ері вирішив перевірити очевидний наслідок елементарної теорії світлоносного ефіру. Відомо, що світло зірки відхиляється через рух Землі на кут f, тангенс якого дорівнює відношенню швидкостей Землі і світла. Ері зацікавився, чи зміниться кут відхилення, якщо трубу телескопа наповнити водою. Швидкість світла у воді менше, ніж у вакуумі, в n разів (n – показник заломлення), тому, як вважав Ері, f повинен збільшитися в n разів. Якби такий ефект спостерігався, то було б доведено існування нерухомого ефіру, що не захоплюється Землею. Однак досвід показав, що вода не змінює кут відхилення. Виходило, що ефір, нібито, захоплюється водою, але не повністю, а частково, так що його швидкість можна знайти, помноживши швидкість води на коефіцієнт р.

Таке пояснення досвіду дав О. Френель. І. Фізо підтвердив висновки Френеля експериментально. Майкельсон повторив ці досліди. Результат був аналогічним: ефір частково захоплювався водою.

Здавалося, що дослідним шляхом виявити рух Землі щодо ефіру не вдасться. Існувала проста ідея досвіду. Світловий пучок роздвоюється і проходить до приймача по двох геометрично однакових шляхах. Поставивши на шляху одного з променів скляну призму, ми змінимо час його проходження від джерела до приймача. Якщо ми виміряємо різницю фаз обох променів, то зможемо обчислити швидкість світла щодо спостерігача на Землі. Однак досвід лише підтвердив те, що було відомо раніше: ефір частково несеться призмою. Очікуваний ефект насправді визначався просто різницею швидкостей світла в повітрі і склі і ніяк не залежав від «руху ефіру». В результаті з’явилася підозра, що взагалі не можна визначити абсолютну швидкість руху Землі щодо нерухомого ефіру, якщо вимірювати ефекти, які визначаються відношенням швидкості Землі до швидкості світла.

Це твердження незабаром було доведено Г. Лоренцом. Щоб виявити рух Землі щодо нерухомого ефіру, потрібні були досліди, в яких вимірювалася б не різниця часів проходження сигналів, а різниця фаз коливань світла, що пройшов різні шляхи. Настільки малі ефекти в оптиці ніхто ніколи ще не вимірював. Єдиною людиною, яка наважилася на це, був викладач фізики в Морській академії. Якби тільки керівництво Академії могло припустити, що через багато років точне значення швидкості світла знадобиться навігації!

Майкельсон використовував явище інтерференції для вимірювання швидкості світла. Свій перший інтерферометр він побудував в 1880 році. У 1887 році, вже будучи професором фізики в школі прикладної науки Кейса (Клівленд), він разом з професором хімії Е.Морлі створив інтерферометр дивовижної чутливості. На глибоке переконання авторів, прилад повинен був показати зміщення інтерференційних смуг, що свідчить про рух Землі крізь нерухомий ефір, і зміщення це повинно бути пропорційним. Результат виявився негативним. Ефект, якби він існував (теорія нерухомого ефіру, передбачала зміщення приблизно на 0,4 смуги), не міг перевищувати 3-5% від очікуваного.

Це був кульмінаційний момент у житті Майкельсона. Досвід не підтвердив майже очевидний результат. Треба володіти непохитною впевненістю в своїх дослідах, щоб оголосити про них, не бентежачись тим, що вони суперечать здоровому глузду. В історії науки не раз бувало так, що для виграшу необхідно було мати сміливість оголосити про свої результати, не піклуючись про те, повірять тобі інші чи ні. Випадок Майкельсона тому яскравий приклад.

Пояснення досвіду в рамках теорії ефіру, дала гіпотеза Фітцджеральда про скорочення довжини рухомих тіл. Висновок з досвіду Майкельсона – Морлі для нас очевидний. Неправильною була не теорія нерухомого ефіру, а сама ідея про ефір. Ефір після дослідів Майкельсона став зайвим в теорії. Але це зрозумів лише Альберт Ейнштейн.

Підводячи підсумки надзвичайно плідного життя Майкельсона, потрібно сказати і про визнання його заслуг. Першу нагороду – ступінь доктора, надав йому Паризький університет в 1895 році, згодом у 1899 році така ж нагорода очікувала його від Кембриджа.

З 1901 по 1903 рік Майкельсон був президентом Американського філософського товариства, а в 1923 році його обрали президентом Національної академії наук.

У 1907 році Майкельсону присуджено Нобелівську премію. Шведська академія наук не відзначила знаменитий досвід (як не ризикнула відзначити і теорію відносності). Нобелівську премію Майкельсон отримав за точні вимірювання і дослідження в області спектроскопії. Зараз ми знаємо, що це була премія за відкриття нової ери в оптиці. Завдяки Майкельсону фаза світлової хвилі, точніше різниця фаз, вимірювана в самих різних умовах, стала одним з найважливіших понять в оптиці і радіотехніці.

Сучасна оптика у всіх своїх розділах спирається на ідеї Майкельсона. Негативний результат дослідів Майкельсона не був вихідним пунктом теорії відносності, як це представляється логічно мислячим нащадкам. Для Ейнштейна вихідними служили рівняння Максвелла і питання про те, який вони мають вигляд для рухомого спостерігача. Для цього знадобився аналіз поняття одночасності і вимірювання довжин, який розвинувся в спеціальну теорію відносності. Рішення парадоксу, поставленого Майкельсоном, прийшло само собою. Попри все, досвід Майкельсона – Морлі мав величезне значення: він створив атмосферу катастрофи, що насувається і надзвичайно загострив увагу до принципових питань фізики.

Можливо, основа теорії відносності була б побудованою й без дослідів Майкельсона – Морлі, але навряд чи її обгрунтування почалося б без гіпотези Г.Фітцджеральда, без робіт Г. Лоренца і А. Пуанкаре, для яких ці досліди були основним стимулом.

Зараз нам дуже важко припустити, що було б з фізикою, якби Майкельсон знайшов той ефект, який він шукав, – якби він виявив ефірний дрейф. Колись Марк Твен (до речі кажучи, жив в тих же місцях, де провів своє дитинство Майкельсон) зауважив, що його не дивує, що Колумб відкрив Америку, було б дивно, якби він не знайшов її на своєму місці. Нам важко уявити, що було б, якби Лагранж довів теорему про паралельні, виходячи з інших постулатів Евкліда. Настільки ж важко уявити зараз фізику, засновану на гіпотезі нерухомого ефіру. Тому з повною підставою можна сказати, що у фундамент сучасної фізики Майкельсон заклав один з тих каменів, на яких стоїть велична будівля науки про природу.

Автор: Я. А. Смородинський.

Напишіть відгук

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *