Опыт Майкельсона-Морли

В 80-х годах XIX века проблемой измерения скорости движения Земли относительно эфира заинтересовался американский физик А. Майкельсон. Он сконструировал совершенный инструмент (его называют «интерферометр Майкельсона»), который, по всем расчетам, должен был решить задачу.

Но как измерить скорость Земли относительно эфира? Ведь набегающий на Землю «эфирный ветер», свободно проходит сквозь все тела, не оказывая на них ни малейшего давления. Определение ожидаемого перемещения Земли относительно эфира можно проделать следующим образом.

Будем в «лаборатории», которая движется вместе с Землей сквозь эфир, посылать световые сигналы вдоль направления движения с тем, чтобы они, отразившись от зеркала, возвращались к источнику света. Назовем их сигналами - А. Другие сигналы - Б - будем посылать поперек движения Земли. Сигналы Б, отразившись от другого зеркала, находящегося от источника на таком же расстоянии, как и первое, вновь возвращаются к источнику. Если Земля покоится в эфире, то, очевидно, сигналы А и Б затратят одинаковое время на путешествие. Если же Земля движется, то, как легко посчитать, время будет несколько разным. Сигналы Б затратят немного меньше времени для путешествия. Зная размеры прибора и время запаздывания, нетрудно вычислить скорость «эфирного ветра», набегающего на Землю из-за ее движения.

В приборе А. Майкельсона путь, проходимый световыми сигналами, был около 22 метров. Если считать, что скорость «эфирного ветра» такая же, как скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца, то время запаздывания сигналов А, по расчетам, должно было быть всего около 3×10^-16 с. Прибор был настолько совершенен, что позволял измерить запаздывание еще в сто раз меньшее. Для этого использовалось явление интерференции лучей А и Б.

Разумеется, Земля движется в эфире не только по околосолнечной орбите, но и перемещается вместе с Солнцем, со всей Солнечной системой. Поэтому направление «эфирного ветра» заранее неизвестно. Но экспериментаторы предусмотрели и это. Они заставляли свой прибор, плавающий в бассейне с ртутью, медленно поворачиваться, меняя ориентацию. Наконец, не исключена была возможность, что орбитальное движение Земли в момент измерения случайно скомпенсируется перемещением Солнца в противоположном направлении. Для исключения этого совпадения опыты повторялись каждые три месяца, когда направление орбитального движения Земли изменялось.

В 1887 г. А. Майкельсон и Е. Морли опубликовали результаты серии своих точнейших измерений с этим прибором. Никакого эфирного ветра обнаружено не было. А. Майкельсон писал: «Эксперименты по обнаружению относительного движения Земли и эфира завершились и результат решительно отрицательный».

Полученный итог озадачил всех. А. Майкельсон был явно разочарован. Многие пытались найти какие-либо дефекты в его опытах или дать иные формулировки теории мирового эфира; пытались поставить другие опыты по обнаружению эфирного ветра. Но все было тщетно. Любые эксперименты давали отрицательный результат. Это означало, что эфир никак не проявляет себя не только во влиянии на движение небесных тел, что было ясно и раньше, но и во всех опытах со светом. Значит, он является надуманной фикцией.

Но опыты Майкельсона - Морли означали не только сокрушительный удар по теории эфира. Их значение гораздо большее. По существу, в этих опытах было показано, что движение Земли никак не влияет на скорость света: она всегда остается неизменной. И полученный вывод уже не зависел от природы света.

И все же, что такое свет, если он не является колебаниями какой-то мировой среды, какого-то «эфира»?

К концу XIX века физики уже были готовы к ответу на этот вопрос. Работами М. Фарадея, Дж. Максвелла, Г. Герца было доказано, что свет - это колебания электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн, не нуждаясь в каких-либо средах. Стало ясно, что «эфиру» в природе ничто не соответствует.

Еще раз подчеркнем удивительные свойства света, обнаруженные в опытах Майкельсона - Морли. Оказалось, что, движется ли наблюдатель навстречу световому лучу или убегает в противоположном направлении, скорость луча относительно него не меняется. Заметим, что уже в наше время использование лазеров позволило установить с точностью до 0,03 миллиметра в секунду, что скорость света не зависит от скорости источников. Это было тогда совершенно не объяснимо. Ведь ясно же, что если по дороге едет автомобиль со скоростью 60 км/ч, и Вы, как наблюдатель, едете на другом автомобиле ему навстречу с той же скоростью, то по отношению к Вам первый автомобиль приближается со скоростью 120 км/ч. Это действительно так. В данном примере скорости просто складываются. Но вот если один автомобиль заменить световым сигналом, то ответ будет другим. Скорость сближения со световым сигналом не меняется при изменении движения наблюдателя.

В середине 20 века известный польский физик П. Инфельд писал: «Знаменитый эксперимент Майкельсона - Морли... доказал окончательно, что нет разных скоростей света! Они одинаковы во всех направлениях, и их значение есть с, скорость света, которая весьма странным образом остается сама собой, всегда постоянной, всегда неизменной.

Для механиста результат катастрофический».

Да, это был сокрушительный удар по старым представлениям. Как оказалось позже, опыты Майкельсона продемонстрировали, по существу, неизбежность того, что свойства пространства и времени меняются при движении с очень большими скоростями.

Это открытие, означавшее научную революцию в естествознании, было сделано в 1905 году А. Эйнштейном.

Рассмотрим опыт Майкельсона - Морли более детально.

Схема прибора показана на рисунке. Главные части прибора: источник света А, посеребренная полупрозрачная стеклянная пластинка В, два зеркала С и Е размещены были на одинаковом расстоянии L от пластинки В. Пластинка В расщепляет падающий пучок света на два, перпендикулярных один другому; они направляются на зеркала и отражаются обратно на пластинку В. Пройдя снова сквозь пластинку В, оба пучка накладываются друг на друга (D и F). Если время прохождения света от В до Е и обратно равно времени прохождения от В до С и обратно, то возникающие пучки D и F окажутся в фазе и усилятся взаимно; если же эти времена хоть немного отличаются, то в пучках возникает сдвиг по фазе и, как следствие, - интерференция. Если прибор в эфире «покоится», то времена в точности равны, а если он движется направо со скоростью u, то появится разница во времени. Рассмотрим, какая именно.

Сначала подсчитаем время прохождения света от В к Е и обратно. Пусть время «туда» равно t₁, а время «обратно» равно t₂. Но пока свет движется от В до зеркала, сам прибор уйдет на расстояние ut₁, так что свету придется пройти путь L + ut₁ со скоростью с. Этот путь можно поэтому обозначить и как сt₁; следовательно,

(этот результат становится очевидным, если учесть, что скорость света по отношению к прибору есть с-u; тогда как раз время равно длине L, деленной на с-u). Точно также можно рассчитать и t₂. За это время пластинка В приблизится на расстояние ut₂, так что свету на обратном пути придется пройти только L - ut₂. Тогда

Общее время равно

А теперь подсчитаем, сколько времени t₃ свет будет идти от пластинки В до зеркала С. Как и прежде, за время t₃ зеркало С сдвинется направо на расстояние ut₃ (до положения С^/), а свет пройдет по гипотенузе ВС^/ расстояние сt₃. Обратно свет пройдет по такой же гипотенузе. Из прямоугольного треугольника следует

Общее время «туда» и «обратно» равно

Сравнивая, времена прохождения взаимно перпендикулярных лучей обнаруживаем разницу в знаменателях выражений. Времена неодинаковы - время прохождения света до С и обратно чуть меньше времени прохождения до Е и обратно. Остается четко измерить эту разницу.

Здесь возникает одна техническая тонкость: а что если длины L не точно равны между собой? Ведь точного равенства добиться невозможно. В этом случае надо просто повернуть прибор на 90⁰, расположив ВС по движению, а ВЕ - поперек. Различие в длинах тогда перестанет играть роль, и остается только наблюдать за сдвигом интерференционных полос при повороте прибора.

Во время опыта Майкельсон и Морли расположили прибор так, что отрезок ВЕ оказался параллельным движению Земли по орбите. Орбитальная скорость равна примерно 30 км/с, и «снос эфира» в определенное время суток и в определенное время года должен достигать этой величины. Прибор был достаточно чувствителен, чтобы заметить такое явление. Но никакого различия во временах обнаружено не было - скорость движения Земли сквозь эфир оказалось невозможно обнаружить. Результат опыта был нулевой.

Это было загадочно. Это настораживало. Первую плодотворную идею, как выйти из тупика, выдвинул Лоренц. Он допустил, что все материальные тела при движении сжимаются, но только в направлении движения. Таким образом, если покоящегося тела есть L₀, то длина тела, движущегося со скоростью u (назовем ее L_||, где значок || показывает, что движение происходит вдоль длины тела), дается формулой

L_|| = L₀

Если эту формулу применить к интерферометру Майкельсона - Морли, то расстояние от В до С останется прежним, а расстояние от В до Е соответственно укоротится. Это приведет к равенству времен прохождения взаимно перпендикулярных лучей.

Хотя гипотеза сокращения успешно объясняла отрицательный итог опыта, она сама оказалась беззащитной перед обвинением, что ее единственная цель - избавиться от трудностей в объяснении опыта. Она была чересчур искусственной. Однако сходные трудности возникали и в других опытах по обнаружению эфирного ветра. В конце концов стало казаться, что природа вступила в «заговор» против человека, что она прибегла к конспирации и то и дело вводит какие-то новые явления, чтобы свести к нулю каждое явление, с помощью которого человек пытается измерить u.

И, наконец, было признано (на это указал Пуанкаре), что полная конспирация - это и есть закон природы. Пуанкаре предположил, что в природе есть закон, заключающийся в том, что нельзя обнаружить эфирный ветер никаким способом, т.е. абсолютную скорость обнаружить невозможно.