Майкельсон Альберт Абрахам (стр. 2 из 3)

Согласно Френелю, в волновой теории эфир, во-первых, предполагается находящимся в покое, за исключением внутренности прозрачных сред, в которых, во-вторых, он считается движущимся со скоростью, меньшей скорости среды в отношении (n² – 1) / n², где n – коэффициент преломления. Эти две гипотезы дают полное и удовлетворительное объяснение аберрации. Вторая гипотеза, несмотря на ее кажущееся неправдоподобие, должна считаться полностью доказанной, во-первых, замечательным опытом Физо и, во-вторых, нашим собственным исследованием. Экспериментальная проверка первой гипотезы составляет цель настоящей работы.

Если бы Земля была прозрачным телом, то, учитывая только что упомянутые эксперименты, вероятно, можно было бы допустить, что межмолекулярный эфир находится в пространстве в покое, несмотря на движение Земли по орбите; но мы не имеем права распространять выводы из этих экспериментов на непрозрачные тела. Однако вряд ли можно сомневаться, что эфир может проходить и действительно проходит через металлы. Лоренц приводит в качестве иллюстрации трубку ртутного манометра. Когда трубка наклонена, эфир, находящийся в пространстве над ртутью, безусловно, выталкивается оттуда, поскольку он несжимаем. (Можно возразить, что он может выходить через пространство между ртутью и стенками; но это можно предотвратить путем амальгамирования стенок.) Но опять-таки мы не имеем права предположить, что он выходит совершенно свободно, и если бы существовало какое-то сопротивление, хотя и слабое, мы не могли бы, конечно, полагать, что непрозрачное тело, такое, как Земля в целом, обеспечивает свободное прохождение эфира через всю эту массу. Но, как удачно отмечает Лоренц, «как бы то ни было, по моему мнению, в этом вопросе, также важном, лучше не позволять себе руководствоваться соображениями, основанными на правдоподобности или простоте той или иной гипотезы, а обращаться к опыту, чтобы научиться узнавать состояние покоя или движения, в котором находится эфир на поверхности Земли.

В апреле 1881 г. был предложен и испытан метод для решения этого вопроса.

При выводе формулы для измеряемой величины тогда было упущено из виду влияние движения Земли через эфир на путь луча, перпендикулярного этому движению. (Здесь можно отметить, что ошибка была указана автору последней работы А. Потье (Париж) зимой 1881 г.) Обсуждение этого упущения и всего эксперимента составляет предмет очень глубокого анализа Г.А. Лоренца, который выяснил, что данным эффектом ни в коем случае нельзя пренебрегать. Как следствие, в действительности величина, которая должна быть измерена, составляет только половину предполагавшейся величины, и, поскольку последняя уже была едва за пределами ошибок эксперимента, выводы, сделанные из результатов опыта, могли вполне основательно подвергаться сомнению. Однако, поскольку основная часть теории сомнению не подлежит, было решено повторить эксперимент с такими изменениями, которые давали бы уверенность в том, что теоретический результат достаточно велик, чтобы не быть скрытым экспериментальными погрешностями. Теория метода может быть кратко изложена следующим образом.

Рис. 1. Схема интерферометра Майкельсона

Пусть sa (рис. 1а) – луч света, который частично отражается по аb, а частично проходит по ас и возвращается зеркалами b и c по ba и ca. Луч ba частично пропускается по ad, и са частично отражается по ad. Тогда, если пути аb и ас равны, два луча интерферируют вдоль ad. Предположим теперь, что эфир находится в покое, а весь прибор движется в направлении sc со скоростью движения Земли по орбите. Направления и расстояния, проходимые лучами, изменяются так. Луч sa отражается по аb (рис. 1б), причем угол bab₁ равен углу аберрации α, возвращается по ba₁ (aba₁ = 2α) θ попадает в фокус зрительной трубы, направление которой не меняется. Пропущенный луч идет по ас, возвращается по са и отражается в а₁, образуя угол са₁е. равный 90° – α, и поэтому все-таки совпадает с первым лучом. Можно отметить, что теперь лучи ba₁ и са₁ не встречаются в точности в одной и той же точке а₁, хотя разность составляет величину второго порядка малости; это не влияет на справедливость рассуждений. Пусть теперь требуется найти разность двух путей света аbа₁ и аса₁.

Пусть V – скорость света; v – скорость движения Земли по орбите; D – расстояние аb или ас; Т – время, которое требуется свету для прохождения от а до с, Т₁ – время, необходимое свету для возвращения от c к а₁ (рис. 1а).

Тогда Т = D / (V – v), Т₁ = D / (V + v).

Полное время движения туда и обратно равно

T + T₁ = 2D · V / (V₂ – v₂),

и расстояние, пройденное за это время, равно

2D · V₂ / (V₂ – v₂) ≈ 2D · (1 + v₂/V₂),

если пренебречь членами четвертого порядка.

Длина другого пути, очевидно, равна

или с той же точностью 2D · (1 + v₂ / V₂).

Поэтому разность равна D · v₂/V₂. Если теперь повернуть весь прибор на 90°, то разность будет наблюдаться в противоположном направлении; следовательно, смещение интерференционных полос должно быть 2D · v₂/V₂. Учитывая только орбитальное движение Земли, это должно быть равно 2D ·10^–8. Если, как было в первом эксперименте, D = 2·10⁶ длин волн желтого света, то ожидаемое смещение должно составлять 0,04 расстояния между интерференционными полосами. В первом эксперименте одна из основных встретившихся трудностей состояла в приведении прибора во вращение без создания искажений, другая же – его крайняя чувствительность к вибрациям. Она была столь велика, что при работе в городе, даже в два часа ночи, невозможно было наблюдать интерференционные полосы, кроме как в течение коротких промежутков времени. В итоге, как уже отмечалось, величина, которая должна была наблюдаться, а именно смещение, несколько меньшее, чем одна двадцатая часть расстояния между интерференционными полосами, могла быть слишком малой, чтобы быть зарегистрированной, когда она маскируется погрешностями эксперимента.

Первая из названных трудностей была полностью устранена путем установки прибора на массивный камень, плавающий в ртути; вторая же была преодолена посредством увеличения пути света вследствие повторных отражений до величины, почти в десять раз превосходившей первоначальную.

Рис. 2. Внешний вид интерферометра

Вид прибора показан на рис. 2, его вертикальное сечение – на рис. 3, а ход лучей в нем – на рис. 4. Камень а (рис. 4) имел площадь около 1,5 х 1,5 м и толщину 0,3 м. Он покоился на кольцеобразном деревянном поплавке bb с внешним диаметром 1,5 м, внутренним диаметром 0,7 м и толщиной 0,25 м. Поплавок располагался на ртути, содержавшейся в чугунном лотке cc толщиной 1,5 см и таких размеров, что вокруг поплавка в нем оставалось свободное пространство около сантиметра.

Рис. 3. Разрез опоры интерферометра

Шпилька d, направляемая рычагами gggg, совпадает с гнездом е, проделанным в поплавке. Посредством ручки, надетой в f, она может либо вставляться в гнездо, либо выниматься из него. Эта шпилька делает поплавок соосным с лотком, но не несет ни малейшей части веса камня. Кольцеобразный чугунный лоток опирается на цементную подложку, лежащую на низком кирпичном основании, выложенном в форме полого восьмиугольника.

В каждом углу камня помещалось по четыре зеркала ddee (рис. 3). Вблизи центра камня находилась плоскопараллельная стеклянная пластинка b. Все это было расположено так, что свет от горелки Аргана⁵ а, проходя через линзу, падал на b таким образом, чтобы частично отражаться к d₁. Два пучка, показанные на рисунке, проходили пути bdedbf и bd₁e₁d₁bf соответственно и наблюдались в зрительную трубу f. И труба f, и горелка а вращались вместе с камнем. Зеркала были сделаны из зеркальной бронзы и тщательно обработаны до получения оптически плоских поверхностей 5 см в диаметре: стекла b и с были плоскопараллельными, одинаковой толщины 1,25 см; их поверхности имели размеры 5,0 х 7,5 см. Второе стекло ставилось на пути одного из пучков, чтобы скомпенсировать прохождение второго пучка через стекло той же толщины. Вся оптическая часть прибора содержалась под деревянным кожухом для предотвращения воздушных потоков и быстрых изменений температуры.