Архив рубрики: Свет и эфир

Без эфира

В работу включились другие физики. Опыт Майкель­сона был проверен с невиданной скрупулезностью. Шли годы, и его повторяли во множестве вариантов, со все возрастающей точностью. Ради страховки от непредви­денных влияний меняли материал плиты — вместо камня ставили дерево, цемент. Поднимали прибор высоко в го­ры, в небо на воздушном шаре — думали, что внизу эфир может увлекаться движущейся Землей. Результаты не изменялись. Уловить эфир пытаются даже в наше вре­мя. Точность опытов теперь такая, что даже если бы Земля плелась по орбите в тысячи раз медленнее, чем на самом деле, все равно обнаружился бы эфирный ветер.

Нет, не нашлось во Вселенной эфира.

Физики XIX века не сразу поняли значение опыта Майкельсона. Первое время он казался чем-то вроде частной неудачи, от которой вскоре можно будет изба­виться. Так полагал и сам Майкельсон (и до конца жиз­ни остался при своем мнении). Сразу сделать вывод об отсутствии эфира никто не осмелился, ибо это было бы больше, чем удивление. Это было бы потрясение. По­давляющее большинство физиков XIX века увидели бы в факте отсутствия эфира нечто дикое и неправдопо­добное. Еще бы: без эфира погибла бы не только оптика. Потеряла бы свои первоосновы механика, лишилась бы смысла астрономия.

Мир без эфира представлялся темным и холодным. В нем не было солнечного света и тепла, не было сияния звезд, не было даже огонька спички. Ибо световые вол­ны в опыте Майкельсона сами же погубили среду своего распространения. Им не по чему стало бежать!

Почему днем светло? Без ссылки на эфир не находи­лось возможности ответить на этот детский вопрос.

Можно понять ученых, не пожелавших признать ре­зультаты опыта Майкельсона, объявивших этот опыт лишь временной, исправимой неудачей (такое мнение высказывал, в частности, крупнейший физик, первоот­крыватель электрона Дж. Томсон).

Можно понять эскпериментаторов, взявшихся за бес­численные повторения опыта.

Но после строжайших проверочных исследований всем пришлось согласиться с фактом: Майкельсон ис­полнил свой эксперимент точно. Парадоксальный вывод из него верен. А потому наука действительно увидела пе­ред собой тупик. Свет из чего-то более или менее понят­ного стал чудом!

Для нас с вами особенно существенно более тонкое следствие из доказанного опытом Майкельсона факта отсутствия эфира: падение аргументов, изложенных вы­ше, в разделе «Леса и здание». С исчезновением эфира пропала надежда избавиться от нелепого «всемирного аквариума» — мысленной жесткой системы отсчета, по­коящейся на «неподвижных» звездах. Отпала заманчи­вая возможность «привязать» к чему-то реальному ньютоновское абсолютное пространство. Потеряли опору (пусть даже гипотетическую) мировые инерциальные системы отсчета. А потому стало загадочным и само дви­жение— от космических обращений планет до падения жерновов и пушинок.

Это длилось несколько десятилетий. Физика, конеч­но, не остановилась. Она продолжала развиваться. Но в глубине зияла пустота. Механика и оптика словно повис­ли над пропастью, хоть мало кто из ученых об этом до­гадывался.

А между тем уже жил человек, которому, как он по­том говорил, «все было интуитивно ясно с самого нача­ла».

Это был Альберт Эйнштейн, творец теории относи­тельности— самой поразительной из всех научных тео­рий.

Неожиданный итог

Я не зря так долго разжевывал опыт Майкельсона. Этот опыт — один из главных физических экспериментов XIX века. И замысел его, и техника, и результат уни­кальны. Его красота — в соединении, казалось бы, не­соединимого. Колоссальную скорость световых волн экспериментатор сочетал с их огромной частотой. Дей­ствуя вместе, как бы компенсируя друг друга, эти гро­мады дали явление простое и зримое.

Правда, чтобы вызвать его, потребовалась тщатель­нейшая подготовка. Прежде всего идеальный покой, пол­ное отсутствие толчков, тряски. В подвале Берлинского университета, где Майкельсон впервые испытал свое изобретение, опытам помешали кареты, разъезжавшие по окрестным улицам.

Ученый разобрал прибор, перевез его в пригород Бер­лина— Потсдам. Там, в обсерватории, на кирпичном фундаменте телескопа, танец интерференционных полос утих, хоть и не вполне. Шаги человека, идущего за не­сколько кварталов от обсерватории, сбивали настройку.

Все-таки ночью, когда прохожие ложились спать, уда­валось успокаивать «зебру» и вести наблюдения.

В первых же пробах итоги эксперимента получились неожиданными и непонятными. Когда плиту двигали, полосы не желали смещаться.

Майкельсон искал неисправности, проверял теорию прибора, снова и снова с сугубой осторожностью двигал тяжелую плиту, всматриваясь в полосатую интерферен­ционную картину. Полосы упрямо не желали смещаться.

Когда наши пловцы-близнецы приплывают без опо­зданий, в реке нет течения. Это легко понять. Но как может быть эфир неподвижен относительно Земли? Земля-то движется! И, конечно же, через эфир — в этом Майкельсон был убежден. Почему же нет эфирного ветра?

Спустя семь лет, уже у себя на родине, Майкельсон вместе с профессором Эдвардом Морли усовершенство­вал свой прибор и с повышенной точностью повторил эксперимент.

Опять полосы не смещались. Эфирного течения не было.

Зебра в зрительной трубе

Майкельсон смотрит в трубку и, слегка поворачивая одно из зеркал, настраивает прибор. Поле зрения ста­новится полосатым, как бок зебры. Что это за полосы?

Это картина интерференции. Свидетельство того, что светом можно гасить свет.

2016-01-28 12-50-53 Скриншот экрана

Там, где видна темная полоска, находятся сразу волновые горбы от одного пучка и впадины от другого. Горбы сложились со впадинами, впадины с горбами — и волна исчезла. Свет пропал. Там же, где полоски светлые, наоборот, горбы волн обоих лучей совпали, впадины тоже, размахи световых колебаний увеличились (физик сказал бы — возросла амплитуда), свет усилился. Тем­ная полоска переходит в светлую, светлая в темную и т. д. Вот и вышел в окуляре прибора «бок зебры» — картина интерференции.

Пока плита прибора неподвижна, лучи-«пловцы» от­стают друг от друга все время на одинаковую дистан­цию. Картина интерференции не меняется. Полосы не­подвижны, «зебра» в зрительной трубе стоит на месте.

А что произойдет, когда Майкельсон начнет вращать плиту? Эфирный ветер, если он существует, будет по-разному задерживать световые волны в перпендикуляр­ных пучках. В одном их движение обязательно ускорит­ся, в другом замедлится. Горбы и впадины, приходя­щие в трубку, сместятся. А значит, сместится и весь ряд темных и светлых полос. «Зебра тронется в путь».

Там, где один из лучей совпадет по направлению с эфирным ветром, запаздывание волн-пловцов станет максимальным. Наоборот, запаздывание волн в перпен­дикулярном луче будет в это время минимальным. И по­лосы в зрительной трубе сдвинутся на наибольшее рас­стояние. Словом, если есть эфирный ветер, при повороте плиты полосы обязаны перемещаться.

Вот она, цель эксперимента: увидеть и измерить сме­щение интерференционных полос при вращении плиты. Обнаружить это смещение — значит, обнаружить эфир­ный ветер! Поймать неуловимый эфир!

Волны как пловцы

Давайте сделаем замены.

Вместо реки — эфирный океан.

Вместо речного течения — предполагаемый эфирный ветер. Вместо пловцов — световые волны.

Вот как устроен прибор. Массивная каменная плита плавает в ртути: плиту можно плавно двигать, вращая вокруг вертикальной оси, словно карусель. Сверху на плите — система зеркал, источник монохроматического (одноцветного) света и зрительная трубка.

Взгляните на рисунок и внимательно разберитесь, что происходит в приборе.

Схема прибора Майкельсона. Справа показано, как сложение свето¬вых волн приводит к усилению или ослаблению света.

Схема прибора Майкельсона. Справа показано, как сложение световых волн приводит к усилению или ослаблению света.

Пучок света под углом 45 градусов падает на полу­прозрачное зеркало — стеклянную пластинку с тончай­шей пленкой серебра. Здесь как бы старт «пловцов».

Пучок тут делится на два. В первом световая волна ухо­дит сквозь зеркало дальше (вообразите, что пловцы плывут вдоль реки), второй отражается под прямым углом (пловцы плывут на тот берег.) Пройдя равные расстояния, волны обоих пучков отражаются обычными непрозрачными зеркалами и возвращаются к полупро­зрачному (пловцы финишируют).

На месте финиша стоит зрительная трубка, куда по­падает часть света из обоих пучков. Тут-то и происходит регистрация опозданий лучей-«пловцов», сносимых эфир­ным ветром. Регистрация автоматизирована: действует явление интерференции — сложение световых волн.

Вдоль и поперек

На башне вертится флюгер. Сразу видно, откуда ве­тер дует.

Майкельсон ухитрился устроить оригинальный опти­ческий «флюгер», который мог бы показать, откуда дует эфирный ветер.

Прибор Майкельсона можно еще сравнить с «золо­тым петушком»: тот, кружась на своей спице, сигналит, откуда «лезет рать» (эфирный ветер). Чем-то похож этот прибор и на радиолокатор кругового обзора или на направленную антенну — ее вращают, чтобы найти, от­куда, с какой стороны «дуют» радиоволны. Остроумие Майкельсона в том, что он не стал измерять скорость света вдоль и против движения Земли «в абсолютном пространстве». Он придумал другой, гораздо более удоб­ный способ обнаружения эфирного ветра.

Ради пояснения я, по старой традиции популяризато­ров, опять обращусь к аналогии со спортом. На этот раз отправимся на речку и займемся плаванием.

Даю вам два задания. Первое: переплыть реку на тот берег и обратно. Второе: спуститься вплавь вниз по тече­нию на расстояние, равное ширине реки, а потом вернуться. Какое задание легче? Опытный пловец ответит сразу: первое. Он скажет: даже при быстром течении я обязательно достигну противоположного берега. Пусть меня снесет, но рано или поздно реку я переплыву в обе стороны. Второе же задание может оказаться вообще невыполнимым — если скорость течения реки больше скорости пловца в неподвижной воде, то, стараясь плыть вверх, он все равно будет двигаться вниз по течению. Если же скорость течения меньше скорости пловца, то на исполнение второго задания, при прочих равных условиях, уйдет больше времени, чем первого.

Отсюда — простой способ обнаружить в реке течение.

Двое пловцов стартуют одновременно и в одном месте. Первый переплывает реку и возвращается. Вто­рой плывет вдоль берега на расстояние ширины реки и тоже возвращается. Идеально одинаковые пловцы в спо­койной воде финишируют одновременно, а в реке с за­метным течением второй обязательно опоздает. И тем больше, чем быстрее течение.

Это ясно? Очень хорошо.

После плавательных упражнений понять опыт Май­кельсона будет не очень трудно.

По и против

Как же обнаружить эфир?

Это все равно что обнаружить с движущегося поезда наружный воздух. Я высовываюсь в окно — и чувствую ветер. Значит, воздух есть, все в порядке.

Земля как поезд, она ведь движется по орбите во­круг Солнца. А эфир как воздух. С Земли даже не надо «высовываться». Если эфир ее пронизывает, то эфирный ветер должен ощущаться на планете всюду. Для жите­лей Земли эфирного безветрия тогда быть не может, как не может быть воздушного безветрия для быстро еду­щего мотоциклиста.

Однако легко поверить, что люди слишком «толсто­кожи», чтобы ощущать эфирный ветер. Осязание тут отказывает. Как же быть?

Существование воздушного ветра можно устано­вить на слух — измеряя скорость звука в воздухе. Я стою в поле и кричу «ау» своему приятелю, стоящему в поле за километр от меня. Он отвечает: «Ого». Пока мое «ау» долетело до приятеля, прошло, допустим, три секунды. А его «ого» летело до меня четыре секунды. Значит, ветер есть. И дует он против крика моего приятеля, от­нося звуковые волны назад и поэтому уменьшая их скорость относительно Земли.

Разумеется, крикунам не обязательно стоять в поле и определять скорость ветра. С тем же успехом они могут кричать свои «ау» и «ого», находясь в безветрен­ную погоду в разных концах длинного поезда, состоя­щего из порожних платформ. Мчась в неподвижном воз­духе, они будут чувствовать ветер. И, определив с по­мощью звуковых сигналов скорость ветра, они тем самым узнают скорость поезда.

Может быть, заменить звук светом и испробовать, не сносятся ли световые сигналы эфирным ветром, измерив скорость света вдоль и против движения Земли по орбите? Разные выйдут скорости — значит, есть эфир и эфирный ветер. Такой рисуется программа экспери­мента. Легко ли ее исполнить?

Очень это не просто. Трудность — в огромной вели­чине скорости света: 300 000 километров в секунду. Зем­ля движется по орбите в десять тысяч раз медленнее. А для проверки теории пришлось бы сравнивать ква­драты скорости Земли v и света с. Ввиду некоторых теоретических тонкостей (мы их опустим) эффект мог обнаружиться лишь в величине порядка —

2016-01-28 12-34-16 Скриншот экрана. Ее-то, не­уловимо крошечную, и надо было измерить.

В XIX веке такого не умели. Задача казалась без­надежной. Знаменитый английский ученый Джемс Клерк Максвелл, творец теории электромагнетизма, убежденно заявил, что решить ее вообще не удастся. Никогда, ни при каких ухищрениях.

Это характерно: наука часто недооценивает свои воз­можности.

Задача была решена в 1881 году.

Автором опыта был обессмертивший свое имя амери­канский физик-экспериментатор Альберт Абрахам Майкельсон.


Леса и здание

Пусть так. В наш мир, который все еще представ­ляется безграничным «аквариумом», вместо воды налит невидимый и неощутимый эфир.

В домашнем аквариуме вода не движется относи­тельно стенок и дна. Эфир во всемирном аквариуме должен тоже покоиться — иначе световые лучи, приходя­щие к нам от звезд, не были бы столь прямолинейны и постоянны. Они «болтались» бы и гнулись, как на ветру. Изображения планет в телескопе плясали бы, смещались и не соответствовали бы их действительным местам. Небесная механика не сумела бы делать предсказаний.

Но небесная механика действовала превосходно, ее предсказания сбывались одно за другим. И физики сде­лали вывод, что светоносный эфир незыблем во Вселен­ной. Вот где могла отыскаться полная, ненарушаемая неподвижность!

Собственно говоря, введение эфира избавило нас от вульгаризации со всемирным «аквариумом». Я выдумал его, чтобы пояснить неизменную и вечно неподвижную систему отсчета расстояний ньютоновского мира (пом­ните— «до дна», «до смежных стенок»). Но как только в «аквариум» налит эфир, сам «аквариум» можно убрать — абсолютная неподвижность останется вопло­щенной в эфире. Словом, «аквариум» был у нас вроде лесов, и, построив здание-эфир, мы вправе со спокойной совестью устранить леса.

Неподвижную систему отсчета можно мысленно «при­вязать» прямо к эфиру. И относительно эфира отсчиты­вать абсолютное движение. Так сделать надежнее всего, потому что звезды, на которые раньше я «ставил» все­мирный «аквариум»,— опора шаткая. Они движутся, и иные — весьма быстро.

Физики XIX века ликовали. Светоносный эфир пред­ставлялся превосходной находкой. Он был желанен и оптику и механику.

Аквариум наполняется

Волновая природа света не выглядела странной. Волны в нашем мире отнюдь не редкость, они гуляют по воде, в воздухе разносят звуки. И всем была известна несомненная, как тогда казалось, истина: существовать волны могут только в какой-либо среде. Водяные — в во­де, звуковые — в воздухе или в любом другом упругом веществе. Переносятся волны колебаниями частичек среды. Раскачиваясь, частички толкают или увлекают своих соседей — вот и бежит волна, бежит обязательно по чему-то способному вибрировать или качаться — по струне, по воде, по воздуху.

Вне среды, в абсолютной пустоте, где нечему коле­баться, никаких волн быть не может — так считали все.

Рассуждая в этом духе, оптики решили: раз свет — волны, значит, есть и среда, в которой они распростра­няются. Среда эта пронизывает пространство, она — во всей Вселенной (потому что иначе до нас не дошло бы сияние звезд). Она остается нетронутой даже в полной пустоте (иначе бутылки, из которых выкачан воздух, стали бы непрозрачными). Короче говоря, если уж наш мир — аквариум, то он не может быть пуст. Он заполнен тончайшей светоносной материей, которой физики дали романтическое имя — эфир. И думали, что, словно рыбы в воде, плавают во всемирном океане эфира планеты и звезды, дома и деревья, и люди, и физические приборы.

Сам себя гасит

Что такое свет? Как объяснить его странную способ­ность пронизывать просторы мира и останавливаться перед тоненькой черной бумажкой? Почему он отражает­ся от зеркал и преломляется в воде? Чем вызваны заме­чательные преобразования световых лучей в линзах очков и телескопов?

Разыскивая ответы на эти и другие вопросы, оптика, как и любая настоящая наука, прежде всего обратилась к экспериментам. Их было поставлено великое множе­ство.

Ученые вооружились зеркалами и призмами, выпук­лыми и вогнутыми стеклами. Солнечные лучи пропускали через прозрачные кристаллы, густые решетки, тончайшие дырочки. Это был первый прорыв в немеханическую физику. Прорыв радостный, бурный, увенчавшийся це­лым фейерверком великолепных открытий и неожидан­ных удивлений.

Выяснились, к примеру, поразительные свойства света гасить самого себя и, наоборот, усили­вать — скажем, давать светлое пятно в середине круг­лой тени и т. д.

После обсуждения всевозможных гипотез, после мно­голетних споров и дискуссий (в ранней оптике их было, пожалуй, больше, чем в любой другой области физиче­ского знания) удалось добиться более или менее общего мнения. В середине XIX столетия физики согласились: свет имеет волновую природу. Потому-то он и может сам себя гасить или усиливать (волны, складываясь, либо уменьшают размахи, либо увеличивают — смотря по взаимному расположению «горбов» и «впадин»). Вы­яснилась длина световых волн. Она разная у лучей раз­ного цвета — от 4 до 8 микрон.

В период становления оптики физики сумели изме­рить и скорость света. Она получилась фантастически огромной — 300 000 километров в секунду.

Зная длину волны и скорость света, нетрудно было подсчитать, сколько световых волн ежесекундно прохо­дит через какую-нибудь точку. Получилось очень боль­шое число. Частота света составляет, как выяснилось, миллиарды колебаний в секунду.