Atsukovsky_Ether_2011

Д.К.Миллер, 1925 г.

Френель предложил теорию, в которой предполагалось, что, во- первых, эфир неподвижен в пустом пространстве и в непрозрачных телах, а, во-вторых, внутри движущихся прозрачных тел он дви-

тела (n — показатель преломления). Эти две гипотезы давали пол- ное и удовлетворительное объяснение аберрации; вторую предпо- лагалось проверить опытами Физо и Майкельсона–Морли по ско- рости света в движущихся средах; первая гипотеза о том, что эфир покоится в пространстве и в непрозрачных телах, всегда вызывала сомнение.

Некоторые физики пытались подтвердить существование ста- ционарного эфира прямыми экспериментами. Наиболее фундамен- тальная из этих попыток была сделана профессором А. А. Майкельсоном в 1881 г., она основана на идее, что эфир в це- лом неподвижен и что волны света распространяются в любом на- правлении с той же самой скоростью благодаря эфиру. Предпола- галось также, что Земля в своем орбитальном движении вокруг Солнца проходит свободно через этот эфир, как если бы он был абсолютно стационарным в пространстве. Эксперимент ориентиро- вался на обнаружение относительного движения между Землей и эфиром, это относительное движение часто рассматривалось как «эфирный ветер». Эксперимент основывался на том, что кажущая- ся скорость света будет различной в зависимости от того, движется ли наблюдатель вместе с Землей вдоль луча света или перпендику- лярно к нему. Скорость света равна 300000 км/с, а скорость Земли на ее орбите составляет 1/10000 часть этого, то есть 30 км/с. Ис- тинное движение Земли есть сумма орбитального движения, изме- няющегося по направлению и имеющего скорость 30 км/с, и рав- номерного движения Солнца вместе со всей Солнечной системой в неизвестном направлении и с неизвестной скоростью. Поэтому ис- тинное движение Земли относительно эфира остается неизвестным, оно может быть как меньше 30 км/с, так и гораздо больше.

Если допустить, что относительное движение Земли равно ее движению по орбите, и если бы оказалось возможным измерить прямое влияние этого движения на кажущуюся скорость света, то тогда скорость света, измеренная вдоль направления движения, должна отличаться от кажущейся скорости, измеренной под пря-

100

Глава 10. Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра

мым углом к этой линии, на 30 км/с или на 1/10.000. Это и есть то, что называлось «эффектом первого порядка», но, к несчастью, нет

ной: кажущаяся скорость луча, уходящего и возвращающегося вдоль направления движения Земли, будет отличаться от кажущей- ся скорости луча, уходящего и возвращающегося в перпендикуляр- ном направлении, на величину, пропорциональную квадрату отно- шения скорости Земли к скорости света, то есть на (1/10.000) 2 или 1/100.000.000. Таким образом, единственный эффект, который мо- жет быть экспериментально обнаружен, есть ничтожный «эффект второго порядка».

101

Д.К.Миллер, 1925 г.

Замечательный инструмент, известный как «интерферометр», изобретенный профессором Майкельсоном, способен обнаружить это малое изменение скорости света, связанное с эфирным ветром. В этом эксперименте луч света расщепляется на два луча с помо- щью тонкой пленки серебра, которую называют «полупрозрачным зеркалом», серебряное покрытие достаточно тонкое и позволяет половине светового потока пройти через нее, в то время как другая половина отражается как обычно.

Эти два луча могут быть направлены во взаимно перпендику- лярных направлениях. На конце требуемого пути каждый луч от- ражается с помощью зеркал, так что оба луча возвращаются обрат- но и соединяются там, где они были расщеплены. Если оба отрезка пути оптически равны, то есть если количество волн в обоих путях одинаково, то соединившиеся лучи наложатся при совпадении фаз обеих волн. Если же, напротив, один из путей будет на половину волны длиннее другого, то волны соединяются в противофазе, так что «гребень» одной волны совпадает с «впадиной» другой. Эти и другие фазовые соотношения создают эффект, называемый «ин- терференционными полосами», наблюдение которых позволяет определить самые ничтожные изменения скорости света для двух путей.

В 1887 году в Кейсовской школе прикладных наук** в Кливлен- де проф. Майкельсон в содружестве с ныне покойным проф. Эд- вардом В.Морли из Западного резервного университета* проделал некоторые важные усовершенствования метода и приборов и ис- пользовал интерферометр для знаменитого теперь «эксперимента Майкельсона – Морли» с целью определить, оказывает ли движе- ние Земли в пространстве влияние на скорость света, предсказан- ный теорией. К несчастью мы не знаем, в каком абсолютном на- правлении движется Земля, и, следовательно, невозможно ориен- тировать интерферометр в этом направлении. Поэтому весь аппа- рат был смонтирован на основании, плавающем в ртути так, чтобы он мог быть повернут в горизонтальной плоскости на любой ази- мут, для определения направления ветра. Вращение Земли вокруг своей оси приводило к движению плоскости интерферометра так, как если бы эта плоскость была касательной к поверхности конуса

**Case School of Applied Science. Прим. ред.

*Western Reserve University. Прим. ред.

102

Глава 10. Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра

вращения, ось которого совпадает с осью вращения Земли, что соз- давало различные ориентации плоскости интерферометра в про- странстве. Это только та составляющая фактического ветра, лежа- щая в плоскости интерферометра на момент наблюдения. Поэтому кажущиеся азимут и величина эфирного ветра должны меняться в зависимости от времени наблюдения.

Значение экспериментов 1925 г. по обнаружению эфирного ветра может быть оценено только в свете интерпретации, данной прежним экспериментам. Поэтому необходимо сделать историче- ский обзор этих экспериментов.

В июле 1887 г. Майкельсон и Морли сделали шесть серий экс- периментальных наблюдений эфирного ветра — в полдень и в 6 часов вечера в дни 8, 9 и 11 июля. Это и есть все наблюдения, сде- ланные Майкельсоном и Морли. В ноябре 1887 года они опублико- вали следующее заключение:

«…с учетом только движения Земли по орбите… наблюдения показали, что относительное движение Земли и эфира, вероятно, меньше, чем 1/6 орбитальной скорости Земли, и наверняка меньше,

чем 1/4.»23

Это значит, меньше, чем 7,5 км/с. Следует подчеркнуть, что эксперименты были поставлены и проведены только для того, что- бы определить влияние орбитального движения Земли; это влияние должно быть различным для двух времен дня, выбранных для на- блюдения, минимальное количество, которое могло быть уверенно измерено, составляло 1/4 ожидаемого эффекта.

В 1895 г. Лоренц и Фицжеральд предположили, что движе- ния, связанные с перемещением твердого тела сквозь эфир, могут приводить к сокращению их размеров в направлении движения и увеличению размеров в перпендикулярном направлении; измене- ния пропорциональны квадрату отношения скорости перемещения и света, так что они «обнуляют» эффект эфирного ветра в интерфе- рометре Майкельсона–Морли. Оптические размеры инструмента определялись физическими свойствами основы из песчаника, на которой были закреплены зеркала. Если бы сокращения размеров зависели от физических свойств твердого тела, то можно было бы

23 Michelson and Morley. Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether.// Am. Jl. of Sci. 34, 333 (1887); Phil. Mag. 24, 449 (1887); Jl de Phys., 7, 444 (1888).

103

Д.К.Миллер, 1925 г.

предполагать, что сосновая балка испытает большее сокращение, чем песчаник, а сталь сократится в меньшей степени.

Если сокращение «обнуляет» эффект в одном аппарате, то в другом будет возникать эффект, отличающийся от нуля и, возмож- но, имеющий другой знак.

Автор в сотрудничестве с профессором Морли сконструировал интерферометр, в четыре раза более чувствительный, чем тот, ко- торый был использован в первом эксперименте; он имел длину све- тового пути 214 футов, что равно примерно 130.000.000 длин волн. В этом инструменте относительная скорость Земли и эфира, равная скорости орбитального движения Земли, должна индицироваться смещением интерференционной картинки на 1,1 интерференцион- ной полосы. Это – размеры инструмента, который использовался до настоящего времени. Оптические пути были полностью обнов- лены, и от первого аппарата не было использовано ничего, кроме ртутной ванны и деревянного поплавка.

Такой инструмент с базой из сосновых досок использовался в Кливленде в 1902, 1903 и 1904 гг. в целях прямой проверки эффек- та Лоренца – Фицжеральда, но изменения в деревянной раме от изменений влажности и температуры делали получение точных наблюдений затруднительным. Профессором Ф. Г. Неффом из от- деления Гражданского инженерного строительства Школы при- кладных наук Кейса была разработана новая рама. Цель разработки заключалась в обеспечении симметрии и жесткости. Эта рама, яв- ляющаяся базой, была выполнена из конструкционной стали и имела такую конструкцию, что оптический размер мог зависеть и от деревянного стержня, и от стальной рамы как таковой. Наблю- дения с использованием этого инструмента проводились в 1904 г. Программа опыта ориентировалась на ожидание эффекта от ком- бинаций суточного и годового движения Земли вместе с движени- ем Солнечной системы в целом в направлении созвездия Геркулеса со скоростью 17,7 км/с. В выбранные для наблюдения дни было два периода, когда результирующая скорость находилась в плоскости интерферометра, — около 11 ч 30 мин до полудня и около 21 ч 00 мин после полудня. Рассчитанные азимуты движения были различ- ными для этих двух периодов. Поэтому наблюдения в эти периоды строились так, чтобы ожидаемый азимут утреннего наблюдения совпадал с вечерним. Наблюдения для обоих периодов давали по- ложительные результаты по величине, но с приблизительно проти-

104

Глава 10. Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра

воположными фазами. * Когда эти результаты совмещались, итог был близок к нулю. Поэтому полученный результат противоречил прежним теориям, предсказывавшим эфирный ветер. Однако в со- ответствии с идеями, которые будут изложены далее в этом докла- де, теперь кажется, что наложение двух групп наблюдений с раз- личными фазами базировалась на ошибочной гипотезе и что полу- ченный тогда положительный результат оказывается в согласии с новой гипотезой движения Солнца. Наш отчет об этом экспери- менте, опубликованный в «Philosophical Magazine» за май 1905 г. заканчивался следующим утверждением:

«Можно предположить, что эфир в подвальном помещении перемещается вместе с ним. Поэтому мы собираемся разместить аппарат на возвышенности и посмотреть, нельзя ли обнаружить

эффект там»24.

Осенью 1905 г. Морли и Миллер переместили интерферометр из подвала лаборатории на участок на Евклидовых высотах** в Кливленде, расположенный на высоте 300 футов над уровнем озера Эри и 870 футов над уровнем моря. На этом участке помехи от зда- ний не сказывались на показаниях прибора. В 1905 — 1906 гг. бы- ло проведено пять групп наблюдений, которые дали определенно положительный результат, составляющий около 1/10 ожидаемого тогда «эфирного ветра». Возникали подозрения, что это вызыва- лось температурными эффектами, хотя прямых свидетельств тому не было. Планировалось проверить это предположение после лет- них каникул. Мы установили интерферометр на земле, принадле- жащей нашему другу. Но за время нашего отсутствия во время ка- никул земля была продана, и новый владелец потребовал немед- ленно убрать интерферометр. Проф. Морли отошел от активной деятельности в 1906 г., и это возложило на меня обязанности по продолжению экспериментов. Следующие эксперименты хотелось провести на значительно большей высоте, но возобновлению на- блюдений препятствовали многочисленные причины.

* !!! Прим. ред.

24 Morley and Miller. An Experiment to delect the Fitz-Gerald-Lorentz Effect.// Phil. Mag. 1905. Vol. 9. P. 680: On the Theory of Experiments to detect Abberrations of the Second Degree. // Phil. Mag. 1905. Vol. 9. P. 669.

** Euclid Heights

105

Д.К.Миллер, 1925 г.

Обсерватория Маунт Вилсон, вид с воздуха, фото: Eric Simison. http://www.mtwilson.edu/

Эйнштейн заинтересовался этой темой в это же время, и в но- ябре 1905 г. он опубликовал статью «Электродинамика движущих- ся тел» 25. Эта статья была первой из длинного ряда статей и науч- ных трудов Эйнштейна и других авторов, которые развились в со- временную теорию относительности. В этой статье Эйнштейн ввел принцип постоянства скорости света, постулировав, что для на- блюдателя, находящегося на движущейся Земле, измеренная ско- рость света должна быть неизменной, не зависящей от направления и скорости движения Земли. Вся теория была отнесена к физиче- ским явлениям и в наибольшей степени – к предположению, что опыты Майкельсона, Морли и Миллера по обнаружению эфирного ветра дают определенный и точно нулевой результат.

Предсказанное теорией относительности отклонение света звезд Солнцем было проверено во время солнечного затмения в 1919 г. Было широко признано, что результаты подтверждают тео- рию. Это возобновило интерес автора к экспериментам по эфирно-

25 Einstein. Zur electrodynamik bewegter Körper, Ann. der Physik, 17, 891 (1905).

106

Глава 10. Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра

му ветру, интерпретация результатов которого никогда не была приемлемой для него.

Для дальнейших исследований подходящим местом оказалась обсерватория Маунт Вилсон вблизи Пассадены, Калифорния, на высоте около 6000 футов. Была тщательно подготовлена программа эксперимента и найдены фонды, вполне достаточные для того, что- бы покрыть весьма значительную стоимость выполнения програм- мы; фонды были очень любезно предоставлены мистером Экштей- ном Кейсом из Кливленда. Президент и попечитель Кейсовской Школы прикладных наук оказал всю возможную помощь, разре- шив автору отсутствовать столько времени, сколько нужно для проведения экспериментов и выделив ассистента для выполнения очень объемной работы по вычислениям и обработке наблюдений. Благодаря любезности президента Мерриама из Института Карнеги

вВашингтоне и директоров Хейла и Адамса эксперименты по эфирному ветру могли проводиться в обсерватории Маунт Вилсон

втечение прошедших пяти лет.

Наблюдения начались в марте 1921 г. с использованием аппа- ратуры и методики, разработанной Морли и Миллером в 1904, 1905 и 1906 гг. с некоторыми модификациями и улучшениями в деталях. Самые первые опыты дали положительный эффект, кото- рый мог быть произведен истинным эфирным ветром, соответст- вующим относительной скорости эфира и Земли, равной 10 км/с. Но прежде, чем сообщить о таком результате, надо было изучить все возможные причины, которые могли дать смещение интерфе- ренционных полос, эквивалентное тому, которое должен был соз- дать эфирный ветер. Среди причин предполагались магнитострик- ция и тепловое излучение. Чтобы проверить последнее предполо- жение, металлические части интерферометра были полностью по- крыты слоем пробки толщиной 1 дюйм, после чего было проведено 50 групп наблюдений, показавших, что периодическое смещение полос осталось таким же, как и в первых наблюдениях. Это показа- ло, что тепловое излучение не является причиной наблюдаемого эффекта.

Летом 1921 г. стальная рама интерферометра была демонтиро- вана и вместо нее стали использовать монолитную базу из цемента с латунной арматурой. База была размещена в ртутной ванне. Все металлические части были сделаны из алюминия или латуни, так что весь аппарат был освобожден от магнитных эффектов, а воз-

107

Д.К.Миллер, 1925 г.

можные тепловые эффекты были существенно уменьшены. В де- кабре 1921 г. были проведены 42 группы наблюдений с немагнит- ным интерферометром. Они дали положительный эффект, причем эфирный ветер полностью соответствовал наблюдениям апреля 1921 г. В этот период были проверены многочисленные вариации случайных воздействий. Наблюдения проводились при вращении интерферометра по часовой стрелке и против ее, как при быстром, так и при очень медленном вращении, при чрезвычайной разба- лансировке интерферометра, создаваемой нагружением поплавка на одной стороне. Было испробовано множество вариантов проце- дур наблюдений и регистрации. Результаты наблюдений не зависе- ли от этих изменений 26.

Аппарат был возвращен в лабораторию в Кливленд. В течение 1922 и 1923 гг. было проведено множество испытаний при различ- ных условиях, которые можно было контролировать, и со многими модификациями частей аппарата. Расположение призм и зеркал было сделано таким, чтобы источник света мог быть размещен вне помещения, в котором проводились наблюдения, а последующее усовершенствование зеркал было выполнено так, чтобы можно бы- ло наблюдать интерференционные полосы с помощью стационар- ного телескопа. Были испробованы методы кинематографической регистрации. Применялись различные источники света, в том числе электрическая дуга и солнечный свет. В конце концов, устройство было усовершенствовано так, что наблюдения могли проводиться с помощью астрономического телескопа с пятидюймовой апертурой и 50-кратным увеличением. В качестве источника света использо- валась большая ацетиленовая лампа, обычно применяемая в авто- мобильных фарах. Была проведена обширная серия экспериментов для обнаружения влияния температурных неоднородностей или нагрева тепловым излучением, опробованы многие различные теп- лоизолирующие материалы для базы интерферометра и его свето- вых путей. Эти эксперименты подтвердили, что в условиях реаль- ных наблюдений периодическое смещение интерференционных полос не могло быть вызвано температурными эффектами. Расши- ренные лабораторные эксперименты показали, что полнопериоди- ческий эффект, упоминавшийся в предварительном сообщении о

26 Miller. Ether-drift Experiments at Mount Wilson Observatory. Phys. Rev. 19, 407 (1922) Science 55, 496 (1922).

108

Глава 10. Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра

наблюдениях в Маунт-Вилсоновской обсерватории, является не- пременным геометрическим следствием такого расположения зер- кал, при котором используются интерференционные полосы ко- нечной ширины, и что эффект исчезает только для полос бесконеч- ной ширины, как это и предполагалось в простой теории экспери- мента.

В июле 1924 г. интерферометр снова был доставлен на Маунт Вилсон и смонтирован на новой площадке, где температурные ус- ловия были лучше, чем в экспериментах 1921 г. Дом, в котором находился интерферометр, также был установлен с иной ориента- цией. Снова наблюдения показали реальное периодическое смеще- ние интерференционных полос, такое же, как и в наблюдениях, сделанных ранее на Маунт Вилсон и в Кливленде.

Несмотря на продолжительные усилия, оказалось невозмож- ным считать эти эффекты эффектами земного происхождения или следствием погрешности эксперимента. Были проведены весьма обширные вычисления с целью попытаться согласовать наблюдае- мый эффект с имеющимися теориями эфира и с предполагаемым движением Земли. Наблюдения повторялись в различные времена года с тем, чтобы проверить одну за другой выдвигаемые гипотезы. В конце 1924 г., когда решение казалось уже невозможным, был впервые сделан полный расчет ожидаемого эффекта для каждого месяца года. Расчет показал, что смещение полос должно быть максимальным в апреле и что направление эффекта должно, на протяжении 24 часов в сутки, оборачиваться полностью вокруг го- ризонта. В марте и апреле 1925 г. были проведены наблюдения с целью подтвердить эти предположения. Полученное смещение по- лос было по величине равно наибольшему из ранее наблюдавших- ся, но оно не было ориентировано последовательно по всем на- правлениям компаса, то есть оно не изменяло направления по ази- муту на 90° на интервалах по 6 ч и не изменяло ориентацию на противоположную на интервалах в 12 ч (как предполагалось − В.А.). Вместо этого направление лишь колебалось вперед и назад на угол примерно в 60°, имея, в общем, северо-западное направле- ние.

До 1925 г. эксперимент Майкельсона–Морли всегда был на- правлен на проверку конкретной гипотезы. Единственная теория эфира, которая подвергалась проверке, была связана с абсолютно неподвижным, стационарным эфиром, сквозь который Земля дви-

109