Об эфирном ветре

Создание Максвеллом теории электромагнитного поля поставило перед физикой новые задачи, одной из которых была проблема применимости принципа относительности, сформулированного Галилеем в XVII в., к электродинамическим явлениям. Решение этой проблемы, как указал сам Максвелл, могло быть получено при исследовании относительного движения Земли и «светоносного» электромагнитного эфира, который в теории Максвелла заменил упругий (механический) эфир Юнга – Френеля. Если бы существовал эфир, то его можно было бы принять за абсолютную систему отсчета, что означало бы отказ от принципа относительности. К моменту создания теории электромагнитного поля уже имелись наблюдения и эксперименты (наблюдения аберрации света, опыты Физо по исследованию распространения света в движущейся воде и др.), результаты которых позволили высказать определенные гипотезы о свойствах эфира. Однако непосредственные доказательства существования эфира мог дать только прямой эксперимент. Идею такого опыта сформулировал еще Максвелл, предложивший использовать в качестве движущегося тела Землю, которая перемещается по орбите со скоростью v ≈ 30 км/с. Однако Максвелл справедливо указал, что основная трудность в постановке этого эксперимента состоит в том, что он должен быть опытом «второго порядка», т.е. в нем требуется зафиксировать величину, пропорциональную квадрату отношения скорости Земли к скорости света с: v/c ≈ 10^–8 (это обстоятельство обусловлено замкнутостью пути света во всех подобных опытах, проводимых на Земле). Столь высокая точность, уникальная для экспериментальной физики XX в., была достигнута в опытах американских ученых А.Майкельсоном и Э.Морли.

Альберт Абрахам Майкельсон

Первым большим успехом Майкельсона было повторение опыта Фуко по измерению скорости света в различных средах, причем точность полученных результатов оказалась существенно выше, чем у Фуко. В 1880...1882гг. Майкельсон провел в Европе, стажируясь в ведущих научных центрах Германии и Франции. Работая в Берлине, в лаборатории Гельмгольца, Майкельсон заинтересовался проблемой обнаружения «эфирного ветра» и для проведения соответствующего опыта изобрел интерферометр, названный впоследствии его именем. Однако эксперименты, проведенные Майкельсоном в Берлине и Потсдаме, не дали положительного результата из-за недостаточной точности, которую обеспечивал первый вариант установки.

После возвращения на родину Майкельсон вышел в отставку и начал преподавать в школе Кейса, где провел важное исследование распространения света в сероуглероде, подтвердившее теорию Рэлея о связи между групповой и фазовой скоростями волн применительно к свету. Экспериментальное искусство Майкельсона получило высокую оценку ведущих европейских физиков. Рэлей, У.Томсон (Кельвин) убедили Майкельсона вернуться к опытам, начатым в Европе.

Над проведением нового цикла экспериментов в поисках эфирного ветра Майкельсон начал работать вместе с Э.Морли, в сотрудничестве с которым он проводил опыты по определению скорости света в сероуглероде. Новый, усовершенствованный, интерферометр позволил достичь необходимой точности, и в 1887г. Майкельсон и Морли получили результат, который английский ученый Дж. Бернал назвал «величайшим из всех отрицательных опытов в истории науки». Этот результат гласил: «эфирного ветра» не наблюдается, следовательно, абсолютной системы отсчета не существует. После создания специальной теории относительности опыт Майкельсона – Морли стал рассматриваться как фундаментальное подтверждение эйнштейновского принципа относительности.

Эдвард Уильямс Морли

Эдвард Уильямс Морли родился 29 января 1838г. в Ньюарке (США) в семье священника. Он получил теологическое образование и некоторое время даже был священником конгрегационалистской церкви. Однако постепенно интересы Морли сместились в область естествознания. Он начал преподавать химию и одновременно вести экспериментальные исследования. В химии Морли был страстным поборником точных количественных экспериментов и к началу сотрудничества с Майкельсоном уже завоевал репутацию серьезного исследователя. Однако наибольшую известность получили его работы в области интерферометрии, выполненные совместно с Майкельсоном. В химии же высшим достижением Морли было точное сравнение атомных масс элементов с массой атома водорода, за которое ученый был удостоен наград нескольких научных обществ.

История опыта Майкельсона – Морли изобилует интересными и поучительными эпизодами. Первый вариант интерферометра был построен немецкими мастерами в Берлине на средства, предоставленные изобретателем телефона американцем А.Беллом. Неудача европейского цикла исследований Майкельсона была связана с тем, что прибор оказался чрезвычайно чувствительным к вибрациям, которые не удавалось устранить даже при помещении его в глубокий подвал знаменитой Потсдамской обсерватории. Кроме того, в первом варианте интерферометра, где использовалась одна пара зеркал, оптическая длина пути световых лучей была слишком малой, вследствие чего ожидаемый эффект оказывался на грани точности измерений. К тому же в первой публикации, посвященной поиску «эфирного ветра», Майкельсон сделал одну довольно элементарную теоретическую ошибку...

При проведении опытов в США все эти обстоятельства были учтены, что резко повысило точность и достоверность результатов. Именно поэтому выводы Майкельсона и Морли остались незыблемыми и после множества повторений опыта, проведенных с к