Atsukovsky_Ether_2011

К.К.Иллингворт, 1927 г.

очень чувствительный способ для определения точного положения полос, так как сдвиг на 1/20 полосы изменит поле от равной ярко- сти на обеих сторонах до нуля на одной стороне и до яркости в не- сколько раз большей по сравнению с начальной яркостью, на дру- гой. Количественная теория изменения яркости при небольших сдвигах была детально разработана Кеннеди.

Для экспериментального определения чувствительности при таком устройстве был применен метод Кеннеди по искривлению мраморной плиты путем размещения небольших грузов на одном ее углу. Прямое движение компенсирующего зеркала вызывало слишком значительное смещение полос и не могло быть установ- лено точно. Подбирая груз, который требовался для искривления мраморной плиты для изменения интерференционной картины на измеряемую часть полосы, можно было вычислить пропорцио- нально вес груза, требуемый для сдвига картины на целую полосу. Это было сделано с допущением, что закон Гука остается в силе для небольших значений прилагаемой силы. Для этого случая было определено, что 7,500 г, расположенных в определенной точке на плите, сдвигают интерференционную картинку на одну полосу. Аппарат затем регулируется таким образом, чтобы яркость на сту- пени была одинаковой (в поле зрения — В. А.) и не было видно ли- нии раздела. Другими словами, обе системы устанавливаются так, как это показано на рис. 12.1б. Часть полосы, действительно на- блюдаемая, была настолько малой, что обе половины поля были хорошо выровнены. С помощью наименьшего веса, производящего заметное изменение яркостей двух половинок поля, когда его по- ложат в определенной точке, измеряют чувствительность или наи- меньший сдвиг полос, который может быть определен.

В связи с тем, что чувствительность этого метода зависит от минимальной разницы в яркости, которую только может ощутить наблюдающий, чувствительность определялась пятью сотрудника- ми из штата лаборатории. Во время проведения испытаний наблю- датель не мог видеть тех разновесов, которые добавляются или убираются. Чувствительность глаз наблюдателей была определена как соответствующая минимальному весу, устранение или добав- ление которого наблюдатель мог отличить правильно в 9 случаях из 10. В табл. 1 приводятся значения чувствительности глаз пяти наблюдателей в единицах добавленных граммов и соответствую-

150

Глава 12. Повторение эксперимента Майкельсона-Морли

щий сдвиг полос. В последней колонке дается скорость эфирного ветра, соответствующая этим сдвигам.

Таблица 1. Чувствительность интерферометрической системы, определенная пятью наблюдателями

Оригинальный метод Кеннеди по наблюдению за эфирным ветром был использован в конце июня, когда ожидались стабиль- ные температурные условия, чтобы аппарат мог вращаться на 90° и обратно в начальное положение без существенного изменения яр- кости двух половинок поля зрения. Во всех случаях наблюдающий начинал смотреть на север, затем аппарат поворачивался на запад, потом опять на север. В 13 случаях в течение 10 дней было воз- можно выполнить вышеприведенные условия. Ни в одном случае, когда условия были выполнены и когда аппарат поворачивался с севера на запад, нельзя было наблюдать сдвиг более чем 0,002 по- лосы, который бы зафиксировал эфирный ветер больше 5 км/с.

В связи с тем, что было трудно получить стабильные темпера- турные условия, было решено использовать метод, который ис- ключает эффект устойчивого смещения из-за температурных изме- нений. На вертикальной стойке, прикрепленной к мраморной пли- те, было установлено большое количество грузов по 14 г в точке, в которой проводились предыдущие измерения чувствительности. После того как поле зрения было точно сбалансировано, отмеча- лось, сколько грузов было убрано или добавлено для того, чтобы все было сбалансировано снова после поворота на 90°. Таким обра- зом было возможно получить цифровые отсчеты для определения сдвига полос по мере продолжения вращения и получить среднее значение отсчетов таким образом, что даже малейшие сдвиги эфи- ра могли бы быть обнаружены с большой точностью. Этот метод имеет преимущество и в том, что невозможно для наблюдателя по- пасть под влияние предвзятости.

151

К.К.Иллингворт, 1927 г.

Во время первых 10 дней июля был сделан ряд наблюдений по следующей программе. Каждый день в 11, в 17 часов или в 5 часов утра и в 23 часа аппарат поворачивался на 20 оборотов, и отсчеты проводились через каждые 90°. Во время первых 10 оборотов на- блюдающий останавливал аппарат и делал отсчеты, когда он смот- рел на север, запад, юг, восток и север. Отсчеты делались через ка- ждые 30 с. Во время последних 10 оборотов направления изменя- лись на северо-восток, северо-запад, юго-запад, юго-восток и севе- ро-восток.

В табл. 2 даются отсчеты, проведенные в 11 часов утра 9 июля для положений С, Ю, В, З и С, типичные для всех сделанных от- счетов. Числа представляют полное число грузов, пропорциональ- ных смещению полос, которые убирались после того, как аппарат был повернут от исходного положения с направлением на север. Один груз соответствует 1/500 части полосы.

Таблица 2. Отсчеты, сделанные для положений С, Ю,

В, 3 и С в 11.00 9 июля 1927 г.

Числа представляют общее число грузов, удаленных для балансирования системы. Один груз соответствует 1/500 полосы.

-0,03 —Среднее смещение вследствие ориентации, в числах масс.

Как будет показано, этот метод усреднения исключает влияние устойчивых температурных смещений. Результаты смещений за 10

152

Глава 12. Повторение эксперимента Майкельсона-Морли

дней приведены в табл. 3. Каждое значение в табл. 3 представляет смещение полос при различной ориентации, определенное для се- рии отсчетов для 10 оборотов, подобно тому, что представлено в табл. 2.

Таблица 3. Итоговые результаты.

В табл. 3 скорость эфира вычисляется по хорошо известной формуле, которая для размеров использованного в нашем случае интерферометра упрощается до V = 112D1/2, где D — смещение по- лос, вызванное поворотом на 90°. Были вычислены возможные по- грешности для отклонений значений, указанных в табл. 3, от сред- них. Смещения полос, которые можно наблюдать на использован- ном оборудовании для определения скорости эфирного ветра, как это описано Миллером, вычислялись из данных, приведенных в работах Миллера 37 и Кеннеди. Скорость эфирного ветра, по описа- нию Миллера, достигает максимума через 5,5 ч после звездного полудня. Максимум приходится примерно на 11 часов дня того времени года, когда были сделаны отсчеты.

Для 11:00 и 17:00, когда было сделано самое большое число от- счетов и когда контроль за температурой был наиболее удовлетво-

37 Miller, Science April 30, 1926.

153

К.К.Иллингворт, 1927 г.

рительным, вероятная погрешность, как показано в табл. 3 соответ- ствовала скорости эфирного ветра примерно 1 км/с. Для 23:00 и 5:00, когда было сделано наименьшее число отсчетов и когда тем- пературные условия были неустойчивыми, вероятная погрешность соответствует несколько большей скорости. Поскольку более чем в половине случаев наблюдаемый сдвиг меньше, чем вероятная по- грешность, настоящую работу нельзя рассматривать как указы- вающую на эфирный ветер с точностью 1 км/с. Это несколько больше 1/10 скорости, найденной Миллером. В величинах смеще- ния полос, значение которых непосредственно наблюдалось, на- стоящая работа показывает, что для наиболее надежных 11:00 и 17:00 часов среднее значение смещения никогда не превышало 1/100 максимального, составляющего 0,008 и вычисленного из миллеровских наблюдений. И даже наибольший отсчет в 5:00 дает только 1/22 этого значения.

Физическая лаборатория Норман Бридж.

Калифорнийский технологический институт, 15 августа

1927 г.

Physical Review. 1927. Vol 30, November. P. 692–696.

154

Глава 13. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли

13. Конференция по эксперименту Майкельсона–Морли, состоявшаяся в

обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасаде- на, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г.

Conference on the Michelson–Morley experiment. 38 Held at the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, February 4 and 5, 1927.*

Присутствие проф. А.А.Майкельсона и проф. Г.А.Лоренца в Пасадене в первых месяцах 1927 г. оказа- лось исключительно своевре- менным для проведения кон- ференции по теоретическому и практическому аспектам эксперимента Майкельсона– Морли. Поскольку профессор Майкельсон планировал со- вместно с обсерваторией Ма- унт Вилсон повторить экспе-

римент, проведение этой конференции было особенно желательно. Большую инициативу в этом отношении проявил доктор Чарльз Э.Сент–Джон. Экспериментальная часть была представлена докто- ром Р.С.Кеннеди. Профессор Э.Р.Хедрик представил математиче- ский расчет светового пути, выполненный им совместно с проф. Л. Ингольдом, присутствовавший профессор П.С.Эпштейн привел расчет эксперимента Троутона–Нобля, недавно повторенного Чей-

38 1 Contributions from the Mount Wilson Observatory, Carnegie Institution of Washington, No. 373.

* Conference on the Michelson–Morley Experiment Held at Mount Wilson, February, 1927. Authors: Michelson, A. A., Lorentz, H. A., Miller, D. C., Kennedy, R. J., Hedrick, E. R., & Epstein, P. S., Journal: Astrophysical Journal, vol. 68, p.341. http://bit.ly/hrjag3 — Прим. ред.

155

Обсерватория Маунт Вилсон, 4 и 5 февраля 1927 г.

сом** в Калифорнийском технологическом институте, а также дру- гими экспериментаторами. После основных представленных док- ладов состоялась дискуссия. Доктором Фрицем Цвики (Dr. Fritz Zwicky) и Гленом Х.Пальмером (Glenn H. Palmer) из Калифорний- ского института были представлены короткие заметки. Все они бы- ли просмотрены авторами.

Выступления проф. Майкельсона и Лоренца были посвящены детальному изложению результатов, полученных профессором Д.К.Миллером, который, к счастью, также смог присутствовать.

I. Профессор А. А.Майкельсон, Чикагский уни- верситет

В 1880 году я впервые задумался над возможностью измерения оптическим способом скорости w движения Земли в Солнечной системе. Ранние попытки об- наружить эффекты первого порядка осно- вывались на идее движения системы сквозь стационарный эфир. Эффекты пер- вого порядка пропорциональны w/c , где c — скорость света. Исходя из представ- лений о любимом старом эфире (который теперь заброшен, хотя я лично еще его придерживался), ожидалась одна возмож-

ность, а именно, что аберрация света должна быть различной для телескопов, заполненных воздухом или водой. Однако вопреки ус- тановленной тогда теории света эксперименты показали, что такой разницы не существует.

Теория Френеля первая объяснила этот результат. Френель предположил, что вещество захватывает эфир частично (увлечение эфира), придавая ему скорость w' , так что w′ = ρw. Он определил

ρ — коэффициент Френеля через показатель рефракции µ :

** Carl T. Chase. The Trouton–Noble ether drift experiment. Phys. Rev. 30, 516–519 (1927). — Прим. ред.

156

Глава 13. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли

ρ= µ 2 −1 . Этот коэффициент легко получается из отрицательного

µ2

результата следующего эксперимента. Два световых луча пропус- каются вдоль пути (рис. 13.1: 0, 1, 2, 3, 4, 5) в противоположных направлениях и создают интерференционную картину. I — это труба, заполненная водой. Если теперь вся система движется со скоростью w сквозь эфир, при перемещении трубы из положения

I в положение II должно наблюдаться смещение интерференци- онных полос. Смещение же не наблюдалось. Из этого эксперимен- та при условии частичного увлечения эфира может быть легко оп- ределен коэффициент Френеля ρ . Он может быть также очень

просто и непосредственно выведен из преобразований Лоренца.

Результат Френеля в свое вре- мя считался общепризнанным ис- следователями, включая Максвел- ла, который подчеркнул, что хотя может не быть эффектов первого порядка, возможно, могут сущест- вовать эффекты второго порядка

ния, по мнению Максвелла.

Мне показалось, однако, что, используя световые волны, можно придумать соответствующее приспособление для измерения такого эффекта второго порядка. Продуман аппарат, включающий в себя зеркала, движущийся со скоростью w сквозь эфир, в аппарате два световых луча проходят взад и вперед, один параллельно к w , а другой — под прямым углом к w .

В соответствии с классической теорией изменения в cветовом пути, вызванные w , должны быть различными для обоих лу- чей, и это должно производить ощутимое смещение интерфе- ренционных полос. Первая схема, в которой реализована попытка обнаружения эффектов второго порядка, изображена на рис. 13.2.

157

Обсерватория Маунт Вилсон, 4 и 5 февраля 1927 г.

При реализации ее, однако, натолкнулись на очень большие труд- ности и от нее вскоре отказались, и к счастью, потому что это при- вело к созданию конструкции интерферометра, который доказал свою ценность во многих последующих экспериментах.

Интерферометр (рис. 13.3) известен всем вам. При наложении двух лучей, пропущенных соответственно от источника к стеклян- ной пластинке и затем к зеркалам 1 и 2 и обратно, получается ряд интерференционных полос. Если применен белый свет, то цен- тральные полосы будут белыми, а полосы по краям — цветными.

стартовала, но если она движется вдоль течения, она может ока- заться неспособной вернуться обратно против течения.*

* Биограф А.Майкельсона Бернард Джефф в книге «Майкельсон и ско- рость света» (М.: Изд-во иностранной литературы, 1963) писал: «Май- кельсон без конца ломал голову над будущим опытом, думая о нем даже по ночам. «Эфирное море», в которое мы погружены, как рыбы в воду, должно в какой-то мере замедлять распространение света, и это замедле- ние должно быть доступно измерению. Следующий пример пояснит это рассуждение. Каждому пловцу известно, даже если он не понимает при- чины, что легче переплыть движущийся поток воды поперек и вернуться назад, нежели проплыть то же расстояние вверх или вниз по течению и обратно. Так, многие рыболовы замечали, что на весельной лодке пере-

плыть на другой берег реки и обратно скорее, чем вверх по течению и назад». http://bit.ly/gjitEC фото http://bit.ly/exuxxO

158

Глава 13. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли

Япопытался провести эксперимент в лаборатории Гельмгольца

вБерлине, но вибрации городских магистралей не позволили ста- билизировать положение интерференционных полос. Аппаратура была перенесена в лабораторию в Потсдаме. Я забыл имя директо- ра (думаю, что это был Фогель), но вспоминаю с удовольствием, что он немедленно проявил интерес к моему эксперименту. И хотя он никогда не видел меня раньше, он предоставил всю обсервато- рию вместе с ее штатом в мое распоряжение. В Потсдаме я получил нулевой результат. Точность была не очень высока, потому что длина оптического пути составляла около 1 м. Тем не менее инте- ресно отметить, что результат был вполне хорошим. Когда я вер- нулся в Америку, мне посчастливилось в Кливленде вступить в со- трудничество с проф. Морли. В аппаратуре был применен все тот же принцип, что и в аппаратуре, использованной в Берлине, хотя длина светового пути была увеличена за счет введения некоторого числа отражений вместо единственного прохождения луча. Факти- чески длина пути составила 10–11 м, что должно было за счет ор- битального движения Земли в эфире дать смещение в половину полосы. Однако смещения обнаружено не было. Смещение полос было определено меньше, чем 1/20 или даже 1/40 от предсказанно- го теорией. Этот результат может быть истолкован так, что Земля захватывает собой эфир почти полностью, так что относительная скорость эфира и Земли на ее поверхности равна нулю или очень мала. Это предположение однако весьма сомнительно, потому что противоречит другому важному теоретическому условию. Лорен- цем было предложено иное объяснение (Лоренцово сокращение),

См. также примечание к главе 2 настоящего сборника. – Прим. ред.

159