Во второй половине XIX века физические воззрения на характер распространения света, действие гравитации и некоторые другие феномены все более явственно стали наталкиваться на трудности. Связаны они были с господствовавшей в науке эфирной концепцией. Идея проведения опыта, который разрешил бы накопившиеся противоречия, что называется, носилась в воздухе.
В 1880-х годах была поставлена серия экспериментов, весьма сложных и тонких по тем временам, – опыты Майкельсона по исследованию зависимости скорости света от направления движения наблюдателя. Прежде чем более подробно остановиться на описании и результатах этих знаменитых опытов, необходимо вспомнить, что представляла собой концепция эфира и как понималась физика света.
Взгляды XIX столетия на природу света
В начале века восторжествовала волновая теория света, получившая блестящие экспериментальные подтверждения в работах Юнга и Френеля, а позднее – и теоретическое обоснование в труде Максвелла. Свет совершенно бесспорно проявлял волновые свойства, и корпускулярная теория оказалась похоронена под грудой фактов, которые не могла объяснить (возродится она только в начале XX века на совершенно новой основе).
Однако физика той эпохи не могла представить себе распространение волны иначе, чем через механические колебания какой-либо среды. Если свет – волна, и он способен распространяться в вакууме, то ученым не оставалось ничего иного, как предположить, что вакуум заполнен некой субстанцией, благодаря своим колебаниям проводящей световые волны.
Светоносный эфир
Загадочная субстанция, невесомая, невидимая, не регистрируемая никакими приборами, именовалась эфиром. Опыт Майкельсона как раз и призван был подтвердить факт ее взаимодействия с другими физическими объектами.
Гипотезы о существовании эфирной материи высказывали еще Декарт и Гюйгенс в XVII столетии, но она стала необходима как воздух именно в XIX веке, и тогда же привела к неразрешимым парадоксам. Дело в том, что для того, чтобы, вообще, существовать, эфир должен был обладать взаимоисключающими либо, вообще, физически нереальными качествами.
Противоречия эфирной концепции
Чтобы соответствовать картине наблюдаемого мира, светоносный эфир должен быть абсолютно неподвижным – иначе эта картина постоянно искажалась бы. Но неподвижность его входила в непримиримый конфликт с уравнениями Максвелла и принципом относительности Галилея. Ради их сохранения приходилось признавать, что эфир увлекается движущимися телами.
Помимо того, эфирная материя мыслилась абсолютно твердой, непрерывной и одновременно никоим образом не препятствующей движению тел сквозь нее, несжимаемой и притом обладающей поперечной упругостью, иначе она не проводила бы электромагнитные волны. Кроме того, эфир мыслился как всепроникающая субстанция, что, опять-таки, плохо вяжется с идеей о его увлечении.
Идея и первая постановка опыта Майкельсона
Американский физик Альберт Майкельсон заинтересовался проблемой эфира после того, как прочел в журнале Nature письмо Максвелла, опубликованное после смерти последнего в 1879 году, с описанием неудачной попытки обнаружить движение Земли по отношению к эфиру.
В 1881 году состоялся первый опыт Майкельсона по определению скорости света, распространяющегося в различных направлениях относительно эфира, движущимся вместе с Землей наблюдателем.
Земля, перемещаясь по орбите, должна подвергаться действию так называемого эфирного ветра – явления, аналогичного потоку воздуха, набегающего на движущееся тело. Монохроматический световой луч, направленный параллельно этому «ветру», навстречу ему будет двигаться, несколько теряя в скорости, а обратно (отразившись от зеркала) – наоборот. Изменение скорости в том и в другом случае одинаково, но достигается оно за разное время: замедленный «встречный» луч будет дольше находиться в пути. Таким образом, световой сигнал, испущенный параллельно «эфирному ветру», обязательно задержится относительно сигнала, преодолевающего то же расстояние, также с отражением от зеркала, но в перпендикулярном направлении.
Для регистрации этой задержки использовался изобретенный самим Майкельсоном прибор – интерферометр, работа которого основана на явлении наложения когерентных световых волн. При запаздывании одной из волн интерференционная картина смещалась бы из-за возникающей разности фаз.
Первый опыт Майкельсона с зеркалами и интерферометром не дал однозначного результата вследствие недостаточной чувствительности прибора и недоучета многочисленных помех (вибраций) и вызвал критику. Требовалось существенное повышение точности.
Повторный опыт
В 1887 году ученый повторил эксперимент совместно со своим соотечественником Эдвардом Морли. Они использовали усовершенствованную установку и особенно позаботились об исключении влияния побочных факторов.
Суть опыта не изменилась. Световой пучок, собранный при помощи линзы, падал на полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45°. Здесь он делился: один луч проникал сквозь делитель, второй уходил в перпендикулярном направлении. Каждый из лучей затем отражался обычным плоским зеркалом, возвращался на светоделитель, после чего частично попадал на интерферометр. Экспериментаторы были уверены в существовании «эфирного ветра» и рассчитывали получить вполне измеряемый сдвиг более чем на треть интерференционной полосы.
Нельзя было пренебрегать движением Солнечной системы в пространстве, поэтому идея опыта предусматривала возможность поворачивать установку с целью точной настройки на направление «эфирного ветра».
Чтобы избежать вибрационных помех и искажений картины при поворотах прибора, вся конструкция была размещена на массивной каменной плите с деревянным тороидальным поплавком, плавающей в чистой ртути. Фундамент под установкой был заглублен до скальной породы.
Результаты опытов
Ученые проводили тщательные наблюдения в течение года, вращая плиту с прибором по часовой стрелке и против. Интерференционная картина фиксировалась по 16 направлениям. И, несмотря на беспрецедентную для своей эпохи точность, опыт Майкельсона, проведенный в сотрудничестве с Морли, дал отрицательный результат.
Синфазные световые волны, уходящие со светоделителя, достигали финиша без сдвига фаз. Это повторялось всякий раз, при любом положении интерферометра и означало, что скорость света в опыте Майкельсона ни при каких обстоятельствах не менялась.
Проверка результатов эксперимента проводилась неоднократно, в том числе и в XX веке с применением лазерных интерферометров и микроволновых резонаторов, достигающих точности в одну десятимиллиардную скорости света. Итог опыта остается незыблемым: эта величина неизменна.
Значение эксперимента
Из опытов Майкельсона и Морли следует, что «эфирный ветер», а, следовательно, и сама эта неуловимая материя просто не существует. Если какой-либо физический объект принципиально не обнаруживается ни в каких процессах, это равнозначно его отсутствию. Физики, включая и самих авторов блестяще поставленного эксперимента, далеко не сразу осознали крушение концепции эфира, а вместе с ним – и абсолютной системы отсчета.
Непротиворечивое и при этом революционно новое объяснение результатов опыта удалось представить только Альберту Эйнштейну в 1905 году. Рассмотрев эти результаты как есть, без попыток притянуть к ним умозрительный эфир, Эйнштейн получил два вывода:
- Никаким оптическим экспериментом нельзя обнаружить прямолинейное и равномерное движение Земли (право считать его таковым дает кратковременность акта наблюдения).
- Относительно любой инерциальной системы отсчета скорость света в вакууме неизменна.
Эти выводы (первый – в сочетании с галилеевским принципом относительности) послужили Эйнштейну основой для формулировки его знаменитых постулатов. Так что опыт Майкельсона – Морли послужил прочной эмпирической базой специальной теории относительности.
Если теория относительности подтвердится, то немцы скажут, что я немец, а французы – что я гражданин мира; но если мою теорию опровергнут, французы объявят меня немцем, а немцы – евреем."
