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.
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.
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.
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.
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!
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.
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.
Без 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 экспериментаторов, 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!
