Майкельсон і швидкість світла
Бернард Джефф
Взимку 1876 року знаменитий англійський фізик Джон Тиндаль приїхав в Америку, щоб прочитати цикл лекцій з теорії світла. Під час своїх поїздок по Сполученим Штатам він мав можливість ознайомитися зі станом наукової роботи в країні.
«На мій погляд, ваш суспільний лад сам по собі жодним чином не виключає занять чистою наукою, - заявив він, - а якщо в Америці до сих пір не зроблено великих наукових відкриттів, то, по-моєму, це не через політичні негаразди , а через те, що талановиті люди, здатні займатися науковими дослідженнями, перевантажені адміністративними і викладацькими обов'язками, несумісними з тривалою і спокійною роботою думки, якої вимагають оригінальні дослідження ».
До цих зауважень, які нерідко можна чути і в наші дні, Тіндаль додав наступну пораду: «Серед вас є здібні вчені. Приберіть з їх шляху все зайві труднощі. Проявляйте особливу турботу про тих, хто рухає вперед науку. Дайте їм свободу, необхідну для їх досліджень, не вимагайте від них так званих практичних результатів і, головне, не задавайте питання, який невігластво так часто звертає до генія: а яку користь принесе ваша робота? »Рада Тиндаля й досі не втратив своєї актуальності і його треба майже настільки ж часто повторювати, як і без малого сто років тому.
Тіндаль не випадково обрав теорію світла темою свого американського циклу лекцій. Ця тема привертала все більшу увагу вчених. Всього за три роки до цього, в 1873 році, Джемс Клерк Максвелл, один з найвидатніших фізиків усіх часів, опублікував свій монументальна праця «Електрика і магнетизм», в якому він мовою математичних рівнянь встановив зв'язок між світлом, з одного боку, і електрикою і магнетизмом - з іншого, постулював існування електромагнітних (радіо) хвиль і висловив припущення, що вони поширюються з такою ж швидкістю, як і світлові хвилі. «Мимоволі напрошується висновок, - писав Максвелл, - що світло являє собою поперечні коливання тієї ж середовища, в якій народжуються електричні і магнітні явища». Робота Максвелла стала подією для фізиків усього світу. Швидкість світла була визнана однією з найважливіших природних величин, і від неї залежало вирішення деяких основних проблем фізики.
Більш точне визначення
Виміряти швидкість світла з граничною точністю - це завдання захопила Майкельсона своєї труднощами. «Те, що швидкість світла є категорією, недоступною людському уяві, і що, з іншого боку, її можливо виміряти з незвичайною точністю, робить її визначення однієї з найбільш захоплюючих проблем, з якими може зіткнутися дослідник», - писав він.
Мал. 4. Перший прилад Майкельсона.
У 1878 році Майкельсон провів перший вимір швидкості світла на вдосконаленій їм установці Фуко (див. Рис. 3). Він ввів лінзу, яка дозволила збільшити шлях світлового променя. Скляна пластинка S зі шкалою допомагала точно визначати зміщення променя, відбитого від дзеркала, що обертається.
Колишні способи вимірювання швидкості світла не задовольняли Майкельсона. Вони були недостатньо точні. Він вирішив спробувати домогтися кращого результату. У листопаді 1877 року, через кілька місяців після одруження, він придумав невелике вдосконалення досвіду Фуко, яке, на його думку, повинно було, значно збільшити точність вимірювання. Він відмовився від увігнутого дзеркала, замінивши його плоским дзеркалом і лінзою (рис. 4), а обертається дзеркало перемістив в інше положення. Цим він домігся того, що яскравість променя незалежно від прохідного їм шляху не послаблялася. Майкельсон збирався помістити нерухоме і обертається дзеркала на відстані 150 м. Обертове дзеркало встановлювалося перед джерелом світла на цегельному постаменті і наводилося в рух струменем повітря, що подається від хутра; при цьому швидкість обертання дзеркала доводилася до 130 оборотів в секунду. Визначалася вона по коливаннях двох камертонів.
Майкельсон не мав засобами на будівництво дорогих приладів. У ті дні чисто наукові дослідження не субсидувалися промисловими концернами або приватними фондами, а урядові асигнування були дуже обмежені. Професори коледжів робили, що могли, в своїх жалюгідних лабораторіях в деякі години, вільні від лекцій і занять.
Майкельсона довелося збирати свій прилад з окремих деталей, пристосовуючи розрізнені частини демонстраційних приладів. Обертове дзеркало обійшлося йому в десять доларів. Коли в березні наступного року Майкельсон, нарешті, зібрав і встановив свій прилад, перші ж попередні випробування підтвердили, що він на правильному шляху.
Не обійшлося і без затримок. У січні народився його первісток - хвилююча подія для кожного молодого батька; потім сталася невелика аварія в лабораторії. На пробному випробуванні одне з дзеркал вилетіло з рами і розбилося. Виникали й інші проблеми.
Майкельсон зрозумів, що без допомоги з боку йому не обійтися. Він написав листа відомому астроному Саймон Ньюкомб, який років за десять до цього говорив, що досвід Фуко необхідно повторити. Спочатку Майкельсон звернувся до НЬЮКОМ з дуже скромним проханням - допомогти йому дістати шматок дзеркального скла замість розбитого. Потім, прочитавши в «Трибюн» уривок з роботи Ньюкома, він написав йому ще один лист, в якому, зокрема, говорилося:
Дізнавшись від капітана Семпсона, що Ви зацікавилися моїми дослідами, я беру на себе сміливість послати Вам короткий звіт про виконану роботу ... Я був би Вам дуже зобов'язаний, якщо б Ви погодилися взяти мене. Мені б хотілося порадитися з Вами, як розташувати деякі деталі приладу, щоб отримати найкращі результати.
Прийміть і ін.
Альберт Майкельсон
Лейтенант ВМС США
У травні, ще не закінчивши своїх дослідів, Майкельсон надіслав листа редактору журналу «Амерікен джорнел оф сайанс». Воно було названо: «Про метод вимірювання швидкості світла» [1] (Цифри в квадратних дужках відносяться до списку робіт Майкельсона, стор. 152.) !!!. Всі повідомлення налічувало дев'ятнадцять друкованих рядків, до яких була додана одна схема. Ніяких даних не наводилося. Майкельсон обмежився описом методу.
Провівши «у важких умовах» серію з десяти дослідів, Майкельсон поїхав в місто Сент-Луїс на сесію Американської асоціації сприяння розвитку науки.
На сесії він зробив повідомлення про свій новий визначенні швидкості світла в повітрі: знайдена ним цифра дорівнювала 300 092 км / сек. Його стаття «Експериментальне визначення швидкості світла» з'явилася в квітневому номері «Амерікен джорнел оф сайанс» [2, 3] за 1879 рік. Звідти вже звістка про його досягнення потрапило в газету Вірджинія-Сіті. У Невадського рудокопів воно не викликало особливого захвату, але для наукового світу це була історична подія.
втручання Ньюкома
Серед вчених, що слухали в Сент-Луїсі повідомлення Майкельсона, був і Ньюком, який, ідучи у відставку з поста президента Асоціації, виголосив промову про простоту і універсальності законів природи. Як і всі присутні в Сент-Луїсі, Ньюком був захоплений сміливістю молодого Майкельсона і майстерністю, з яким був поставлений експеримент. У ньому відродився колишньої інтерес до проблеми швидкості світла. Незабаром він звернувся в Національну Академію наук з проханням виклопотати в уряду асигнувань для проведення подальших експериментів. Спеціальна комісія Академії визнала доцільність виділення коштів на цю роботу, і рік потому міністр військово-морського флоту включив в проект бюджетних асигнувань 5000 доларів на досліди з визначення швидкості світла. НЬЮКОМ, який був офіцером нині скасованого професорського корпусу військово-морського флоту, було доручено очолювати цю роботу, причому складатися він повинен був при Військово-морської обсерваторії і редакції Морського альманаху. Обидва ці установи перебували у Вашингтоні.
П'ять тисяч доларів в нашому розумінні - не так вже й багато, але це була достатня сума для того, щоб можна було поставити нову серію дослідів по більш точному визначенню швидкості світла. Ньюком приїхав в Аннаполіс, щоб обговорити свої плани з Майкельсоном, і виявив, що той самостійно працює в цьому ж напрямку. Роком раніше якесь «приватна особа» (згодом з'ясувалося, що це був тесть Майкельсона) пожертвував дві тисячі доларів на придбання молодим експериментатором більш досконалої апаратури. Майкельсон замовив нове дзеркало у відомого майстра по телескопів Альвана Кларка і став підшукувати повітряний ротор для обертання дзеркала.
Майкельсон проводив свої спостереження в дощатій будові довжиною близько 13 м і висотою близько 2 м, яке знаходилося за огорожею Академії, з боку моря. Там містилися обертається дзеркало, двигун, дугова лампа та інше обладнання. У 600 м від цієї будови Майкельсон побудував цегляну будівлю, де знаходився цегельний постамент, на якому встановлювалося друге дзеркало. Ходити з однієї будівлі в іншу доводилося навпростець, по полю; між ними не було навіть протоптаною стежки, і ця подорож була не таким вже й простим, коли випадав сніг або стояла дощова погода. Але Майкельсон не звертав уваги на труднощі. Професор Мейер з Технологічного інституту Стівенса допоміг йому вивірити швидкість обертання дзеркала, а двоє співробітників Академії незалежно проводили вимірювання, щоб уникнути будь-якої упередженості у висновках.
Майкельсон був дуже задоволений приїздом Ньюкома. Звичайно, він буде дуже радий працювати разом з ним. Цієї ж осені його перевели з Морської академії в редакцію Морського альманаху. Ньюком розмістив свою установку в Форт Майер (штат Вірджинія) на вершині пагорба над річкою Потомак. Відбиває дзеркало перебувало на відстані трохи більше 2,5 км на території старої Військово-морської обсерваторії. Пізніше відбиває дзеркало перенесли до підніжжя пам'ятника Джорджу Вашингтону. Досліди проводилися влітку 1881 і тисячі вісімсот вісімдесят два років.
Але Майкельсон недовго пропрацював з Ньюкома. Йому було тоді 27 років, і він розумів, що необхідно поглибити свої знання в області оптики і підшукати собі нову тему для дослідження. Його погляд звернувся до наукових центрів Старого світу. До пошуків точного визначення швидкості світла він повернувся лише в 1882 році, коли переїхав до Клівленд (штат Огайо) і зайняв пост професора в Школі прикладної науки Кейса. Він почав все спочатку і провів ще двадцять вимірювань. Новий результат дорівнював 299 853 км / сек. Це визначення протрималося сорок п'ять років, а потім його уточнив той же Майкельсон. У цій справі у нього не було суперників.
До першого року перебування Майкельсона в Школі Кейса відноситься анекдот, який добре характеризує його як ученого. Одного разу, коли він з групою співробітників оглядав передбачуваний шлях світлового променя вздовж залізничної дороги Нью-Йорк - Чикаго - Сент-Луїс, до нього підійшли газетні репортери і запитали, що тут відбувається. Майкельсон сказав, що він займається вимірюванням швидкості світла. «А навіщо?» - почулося запитання. «Тому що це страшенно цікаво», - відповів Майкельсон. П'ятдесят років по тому великий Альберт Ейнштейн поставив йому таке ж питання і отримав ту саму відповідь.
• 4. Невловимий ефір
• Зміст
Дата публікації:
27 жовтня 2003 року
«А навіщо?