Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Физикам XIX века казалось, что если пространство заполнено эфиром, то логично было бы предположить, что этот эфир служит только для передачи сил, таких как сила притяжения, и сам по себе вообще не подвергается их воздействию. В таком случае его невозможно вовлечь в движение. Он может колебаться туда-сюда, как при передаче световых волн, но в целом двигаться не будет. В таком случае эфир следует рассматривать находящимся в абсолютном покое. Все движение становилось абсолютным движением, если измерять его по отношению к эфиру. Это пространство, заполненное эфиром, одно и то же для всех наблюдателей, отстраненное, неизменное, недвижимое, пересекаемое телами и силами, не подвергаясь их воздействию, пассивное вместилище материи и энергии и есть абсолютное пространство.

Во времена Ньютона и еще два столетия спустя не было способа измерить движение какого-либо материального тела по отношению к эфиру. Однако это не имело значения. В принципе абсолютное движение считалось существующим вне зависимости от того, можно ли было его измерить или нет, и законы движения принято было считать действительными в рамках этого абсолютного движения, а следовательно, они должны действовать и на все виды относительного движения (которые являлись не более чем суммой двух абсолютных движений).

В 80-х годах XIX века Михельсону (тому самому, который позже измерил скорость света) пришло в голову, что можно придумать способ измерения абсолютного движения.

Точка зрения того времени гласила, что свет состоит из эфирных волн, и, если бы эфир двигался, он мог бы нести собственные вибрации (свет) с собой. Если бы эфир двигался по направлению от нас, он уносил бы от нас свет и, следовательно, задерживал бы свет, иначе говоря, уменьшал бы скорость света. Если бы эфир двигался от нас со скоростью в два раза меньшей скорости света, свет потерял бы половину своей скорости по отношению к нам и соответственно в два раза дольше добирался бы к нам из некоей фиксированной точки. Таким же образом, если бы эфир двигался по направлению к нам, он бы достигал нас быстрее.

Точнее, физики считали, что эфир сам по себе не двигается ни при каких обстоятельствах. Однако Земля должна, казалось, неизбежно двигаться по отношению к эфиру. В том случае, если принять Землю как неподвижную, эфир будет казаться движущимся по отношению к нам, поскольку мы закреплены на Земле. Тогда проявлялось бы то, что получило название «эфирный ветер».

Если бы эфирного ветра не существовало, если бы Земля находилась в абсолютном покое, тогда свет двигался бы во все стороны с одной и той же скоростью. Кажется, что так оно и есть, но, скорее всего, это так только потому, что скорость эфирного ветра слишком мала по сравнению со скоростью света; следовательно, свет очень незначительно меняет свою скорость с переменой направления. Учитывая, что точное измерение скорости света представляло собой на тот момент очень сложную задачу, неудивительно, что небольшая разница в скорости оставалась незамеченной.

Однако в 1881 году Михельсон изобрел устройство, достаточно тонкое, чтобы произвести эту работу.

В этом приборе свет с определенной длиной волны падал на стеклянную плоскость под углом 45°. Задняя поверхность стекла была «полупосеребренной», то есть поверхность была покрыта достаточным слоем серебра, чтобы отражать половину света, а другую половину пропускать. Пропущенный свет продолжал движение в том же направлении, а отраженный двигался под прямым углом к этому направлению. Оба световых луча отражались зеркалом и возвращались обратно на полупосеребренную стеклянную плоскость. Часть изначально отраженного пучка лучей теперь проходила насквозь, а часть изначально пропускаемого пучка теперь отражалась. Таким образом, оба луча воссоединялись[91]. В результате единый луч света разбивался надвое; две половинки отсылались в направлениях перпендикулярных друг другу, возвращались и вновь соединялись в один луч.

Соединяясь, два луча производили линии интерференции, как это происходило с двумя лучами из эксперимента Янга. Одно из зеркал могло быть так настроено, что расстояние, пройденное лучом до этого зеркала и обратно, могло изменяться. Когда зеркало настроено, линии интерференции двигаются. По количеству линий, проходящих перед взглядом, когда зеркало перемещается на определенное расстояние, можно определить длину волны света. Чем большее количество зубцов проходит перед взглядом, тем короче длина волны.

Михельсон определял длину волны света своим инструментом, который он называл интерферометром («измерителем по интерференции»), настолько точно, что он предположил, что длина волны некоторых определенных спектральных линий может служить фундаментальной единицей изменения длины. В то время за такую фундаментальную единицу измерения был только что принят международный эталон метра. Это было расстояние между двумя тонкими отметками на брусе из платино-во-индиевого сплава, хранимого в Севре, пригороде Парижа.

В 1960 году предложение Михельсона было в конце концов одобрено и эа фундаментальную единицу измерения длины было принято явление природы, а не рукотворный предмет. Оранжево-красная спектральная линия разновидности редкого газа криптона была принята за стандарт. Сейчас метр официально установлен как величина в 1 650 763,73 раза больше волны этого света.

Но Михельсон желал большего, чем установление длины волны спектральных линий. Он признавал тот факт, что пучок света в интерферометре был расщеплен на две половины, которые двигались под прямым углом друг к другу. Предположим, что один из этих двух лучей идет по эфирному ветру. Тогда его скорость будет равной с (скорость света по отношению к эфиру) плюс v (скорость источника света по отношению к эфиру).

Интерферометр

Если расстояние от отражающего зеркала до полупосеребренной призмы принять за d, то время, которое понадобится свету, чтобы преодолеть расстояние от полупосеребренной призмы до отражающего зеркала, будет равным d/(c + v). После отражения свет вновь преодолеет расстояние d точно в обратном направлении. Теперь он будет двигаться против эфирного ветра и будет замедлен, его полная скорость будет равна с – v, а время, требующееся ему для того, чтобы вернуться, будет d/(c – v). В результате время, которое потребуется лучу на то, чтобы пройти туда и обратно, будет вычисляться по формуле: