Об относительном движении Земли и светоносного эфира

Размещено на http://www.allbest.ru/

Об относительном движении Земли и светоносного эфира

Майкельсон А., Морли Э.

За открытием аберрации света вскоре последовало её объяснение на основе эмиссионной теории. Эффект приписывался простому сложению скорости света со скоростью Земли на орбите. Трудностей этого кажущегося удовлетворительным объяснения не замечали до тех пор, пока не было предложено объяснения на основе волновой теории света. Это новое объяснение было поначалу столь же простым, как и предыдущее. Но оно оказалось бессильным перед экспериментально доказанным фактом, что аберрация не меняется, когда проводятся наблюдения с помощью телескопа, заполненного водой. Действительно, если тангенс угла аберрации равен отношению скорости Земли к скорости света, то, поскольку последняя скорость в воде составляет три четвёртых скорости света в вакууме, аберрация, наблюдаемая с помощью телескопа, заполненного водой, должна составлять четыре третьих её истинного значения*.

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 её кажущееся неправдоподобие, должна считаться полностью доказанной, во-первых, замечательным опытом Физо¹ и, во-вторых, нашим собственным исследованием². Экспериментальная проверка первой гипотезы составляет цель настоящей работы. земля луч свет стокс

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**. 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 Земли³.

В апреле 1881 г. был предложен и испытан метод для решения этого вопроса⁴.

При выводе формулы для измеряемой величины тогда было упущено из виду влияние движения Земли через эфир на путь луча, перпендикулярного этому движению***. Обсуждение этого упущения и всего эксперимента составляет предмет очень глубокого анализа Г.А. Лоренца³, 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. 103

Пусть sa [рис. 103] - 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. 104], причём угол bab₁ равен углу аберрации б, возвращается по ba₁ (aba₁= 2б) и попадает в фокус зрительной трубы, направление которой не меняется. Пропущенный луч идёт по ас, возвращается по са и отражается в а₁, образуя угол са₁е. равный 90°-б, и поэтому всё-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.

Рис. 104

Пусть V - скорость света; v - скорость движения Земли по орбите; D - расстояние аb или ас [рис. 104]; Т - время, которое требуется свету для прохождения от а до с, Т₁ - время, необходимое свету для возвращения от c к а₁ [рис. 103].

Тогда Т=D/(V-v), Т₁=D/(V+v). Полное время движения туда и обратно равно T+T₁= 2DV/(V²-v²), и расстояние, пройденное за это время, равно 2DV²/(V²-v²)? 2D(1+v²/V²), если пренебречь членами четвёртого порядка. Длина другого пути, очевидно, равна 2D(1+v²/V²)^1/2 или с той же точностью 2D(1+v²/V²). Поэтому разность равна Dv²/V². Если теперь повернуть весь прибор на 90°, то разность будет наблюдаться в противоположном направлении; следовательно, смещение интерференционных полос должно быть 2Dv²/V². Учитывая только орбитальное движение Земли, это должно быть равно 2D·10-⁸. Если, как было в первом эксперименте, D= 2·10⁶ длин волн жёлтого 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 путём 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. 105

Вид прибора показан на рис. 105, его вертикальное сечение - на рис. 106, а ход лучей в нём - на рис. 107. Камень а [рис. 107] имел площадь около 1,5Ч1,5 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 нём оставалось свободное пространство около сантиметра. 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 несёт ни малейшей части веса камня. Кольцеобразный чугунный лоток опирается на цементную подложку, лежащую на низком кирпичном основании, выложенном в форме полого восьмиугольника.

Рис. 106.

В каждом углу камня помещалось по четыре зеркала ddee [рис. 106]. Вблизи центра камня находилась плоскопараллельная стеклянная пластинка b. Всё 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: стёкла b и с были плоскопараллельными, одинаковой толщины 1,25 см; их поверхности имели размеры 5,0Ч7,5 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.

Рис. 107

Настройка проводилась так. С помощью винтов в отливках, удерживавших зеркала, к которым последние прижимались пружинами, зеркала устанавливались так, чтобы свет обоих пучков мог быть виден в зрительную трубу. Посредством лёгкого деревянного стержня, достававшего по диагонали от зеркала до зеркала, измерялись длины двух путей, причём расстояния отсчитывались по маленькой стальной шкале с точностью до десятых долей миллиметра. Затем разность длин двух путей ликвидировалась путём передвижения зеркала е₁. Это зеркало имело три регулировки; имелись регулировки по высоте и азимуту, как и у других зеркал, но только более тонкие, а также регулировка в направлении падающего пучка, благодаря ему оно скользило взад и вперёд, оставаясь, однако, с высокой точностью параллельным своей начальной плоскости. Все три регулировки могли производиться при закрытом деревянном кожухе.

Поскольку теперь пути были приближённо равны, два изображения источника света или какого-либо другого хорошо очерченного предмета сводились вместе и зрительная труба оказывалась настроенной на отчётливое наблюдение ожидаемых интерференционных полос. Когда они появлялись, белый свет заменялся на свет натрия. Путём регулировки зеркала е₁ полосы делались настолько отчётливыми, насколько это было возможно; затем возвращался белый свет, а винт, меняющий длину пути, приводился в очень медленное вращение (один оборот винта с сотней шагов резьбы на один дюйм менял путь примерно на 1000 длин волны) до тех пор, пока окрашенные интерференционные полосы не покажутся вновь в белом свете. Это давало удобную ширину и положение полос, и теперь прибор был готов для наблюдений.

Наблюдения проводились следующим образом. Вокруг чугунного лотка имелось шестнадцать эквидистантных отметок. Прибор приводился в очень медленное вращение (один оборот за шесть минут), и через несколько минут в момент прохождения одной из отметок пересечение нитей микрометра наводилось на самую яркую интерференционную полосу. Вращение происходило столь медленно, что это можно было сделать легко и точно. Отмечалось показание головки винта микрометра и делался очень лёгкий и плавный толчок для поддержания движения камня. При прохождении следующей отметки процедура повторялась, и всё это продолжалось до тех пор, пока прибор не завершал шесть оборотов. Было обнаружено, что при поддержании прибора в состоянии медленного равномерного движения результаты оказывались гораздо более однородными и согласующимися между собой, чем когда камень останавливался для каждого наблюдения, поскольку эффекты деформаций могли быть заметными по крайней мере в течение полуминуты после того, как камень остановился, а за это время вступали в действие эффекты изменения температуры.

Следующие таблицы дают среднее шести отсчётов: для наблюдений, выполненных около полудня и для наблюдений около шести часов вечера. Отсчёты - это деления головки винта. Ширина полос менялась от 400 до 60 делений, причём среднее значение составляло около 50, так что одно деление означает 0,02 длины волны. При полуденных наблюдениях вращение производилось против часовой стрелки, при вечерних - по часовой стрелке. Результаты наблюдений представлены графически на рис. 108. Кривая 1 соответствует полуденным наблюдениям, кривая 2 - вечерним. Пунктирные линии показывают одну восьмую теоретического смещения¹. Из рисунка возможно сделать вывод о том, что если и существует какое-либо смещение благодаря относительному движению Земли и светоносного эфира, оно не может быть значительно больше, чем 0,01 расстояния между полосами.

Рис. 108

При учёте лишь движения Земли по орбите это смещение должно быть равно 2Dv²/V²= 2D·10-⁸. Расстояние D составляло около 11 м, или 2·10⁷ длин волн жёлтого света; следовательно, ожидавшееся смещение равно 0,4 полосы. Действительное смещение было, безусловно, меньше, чем одна двадцатая часть этой величины, и, вероятно, меньше, чем одна сороковая. Но поскольку смещение пропорционально квадрату скорости, относительная скорость Земли и эфира, вероятно, меньше, чем одна шестая часть орбитальной скорости Земли, и безусловно меньше, чем одна четвёртая.

В вышеизложенном учитывалось только орбитальное движение Земли. Если его сложить с движением Солнечной системы, относительно которого, однако, мало что известно с достоверностью, вероятно, результаты следует модифицировать; и вполне возможно, что результирующая скорость во время наблюдений была мала, хотя против этого и очень много шансов. Поэтому эксперимент должен быть повторен с интервалами в три месяца, и таким образом будут преодолены все неопределённости.

Из всего изложенного довольно определённо следует, что если существует какое-либо относительное движение Земли и светоносного эфира, то оно должно быть настолько мало, чтобы полностью отказаться от френелевского объяснения аберрации. Стокс дал теорию аберрации⁶, которая предполагает, что эфир на поверхности Земли находится по отношению к ней в состоянии покоя, и в дополнение требует, чтобы относительная скорость имела потенциал; но Лоренц показал, что эти условия несовместимы. Тогда Лоренц предложил усовершенствованную теорию, которая соединяет некоторые идеи Стокса и Френеля и предполагает существование потенциала наряду с коэффициентом Френеля. Если теперь из настоящей работы позволительно заключить, что эфир покоится относительно поверхности Земли, то, согласно Лоренцу, не может быть потенциала скорости и его собственная теория также терпит неудачу⁷ <...>

Примечания

* Можно отметить, что большинство авторов считают удовлетворительным объяснение на основе эмиссионной теории света, хотя в действительности здесь трудностей даже больше, чем в случае волновой теории. Согласно эмиссионной теории, скорость света в телескопе с водой должна быть больше, а угол аберрации должен быть меньше; поэтому, чтобы свести его к истинному значению, мы должны принять абсурдную гипотезу, что движение воды в телескопе переносит лучи света в обратном направлении!

**Можно возразить, что он может выходить через пространство между ртутью и стенками; но это можно предотвратить путём амальгамирования стенок.

***Здесь можно отметить, что ошибка была указана автору последней работы А. Потье (Париж) зимой 1881 г.

Комментарии

Перевод с английского статьи А. Майкельсона и Э. Морли выполнен С.Р. Филоновичем по публикации: On the relative motion of the Earth and the luminiferous ether. «American Journal of Science», Ser. 3, 1887, vol. 34, p. 203, p. 333-345. При переводе исключены Приложение к статье и некоторые второстепенные примечания. Большая часть литературных ссылок взята из текста работы; изменена лишь их форма (в соответствии с принятыми сейчас правилами).

^{1 Fizeau Н. Sur les hypothиses relatives а l'ether luminieux... Comptes Rendus, 1851, vol. 33, p. 349. (см. также с. 000 настоящего издания).}

^{2 Michelson A.A., Morley E. Influence of Motion of the Medium on the velocity of Light. American Journal of Science, Ser. 3, 1886, vol. 31, p. 377-386.}

^{3 Lorentz Н.A. De l'influence du mouvement de la Terre sur les phйnomиnes lumineux. Archives Nйrlandaises, 1886, vol. 21, 2 me livr.}

^{4 Michelson A.A. The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. American Journal of Science, Ser. 3, 1881, vol. 22, p. 120-129.}

^{5 Этот осветительный прибор в XIX в. часто использовался для проведения оптических экспериментов. Он был изобретён швейцарским часовщиком Арганом и обеспечивал постоянство светового потока при выгорании части фитиля.}

^{6 Дж. Стокс исследовал проблему аберрации света в 1845-1848 гг. и опубликовал на эту тему ряд работ, в частности: On the aberration of light. Philosophical Magazine, 1845, vol. 27, p. 9-15; On the constitution of the luminiferous aether, viewed with reference to the phenomenon of the aberration of light. Там же, 1846, vol. 28, p. 6-10.}

^{7 В Приложении авторы рассматривают другие эксперименты и наблюдения, которые в принципе могли бы способствовать решению вопроса, обсуждаемого в данной работе.}

Литература

Собрание сочинений А.Майкельсона не издавалось. Частично его оптические исследования отражены в двух книгах, изданных при жизни учёного и переведённых на русский язык:

[1] Майкельсон А.А. Исследования по оптике. М.-Л., 1928.

[2] Майкельсон А.А. Световые волны и их применение. М.-Л., 1934.

[3] Биография А. Майкельсона, написанная его дочерью: Livingston Michelson D. The master of light. N. Y., 1973.

[4] Джефф Б. Майкельсон и скорость света. М., 1963.

[5] Swenson L. S. The ethereal Aether: A History of the Michelson-Morley-Miller Aether-Drift Experiments 1880-1930. Austin (Тех.), 1972.

[6] Франкфурт У. И., Френк А.М. Оптика движущихся тел. М., 1972.

[7] Williams H.R. Edward William Morley. Easton (Pa.), 1957.

Размещено на Allbest.ru