Глеб Анфилов - Бегство от удивлений

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 v2/c2. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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!

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.