19. Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли. 1933 г. Дэйтон К.Миллер, Кейсовская школа прикладной науки The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth Dayton C. Miller, Case Scool of Applied ScienceЭксперимент по эфирному ветру. Исторические 1878-1881 гг. В обычно принятой теории свет рассматривается как волновое движение светоносного эфира, и это сделало необходимым определение основных свойств эфира, которые дают ему возможность передавать волны света и обеспечивать в целом оптические явления. Теории эфира подразумевают связь с теориями структуры вещества и находятся в числе наиболее фундаментальных во всей области физической науки. Предположительно эфир заполняет все пространство, даже то, которое занято материальными телами, и еще он позволяет всем телам двигаться сквозь него совершенно свободно, это очевидно. Вопрос о том, каким образом эфир переносится такими телами, как Земля, вдоль направления их движения, рассматривался наукой еще на ранней стадии развития волновой теории. Открытие аберрации света в 1728 г. было вскоре объявлено общепринятой корпускулярной теорией света. Эффект был определен как простое сложение скорости света со скоростью орбитального движения Земли. Френель предложил объяснение, которое было принято благосклонно, основанное на волновой теории и предполагавшее, во-первых, что эфир покоится в свободном пространстве, а во-вторых, что "плотность эфира" различна в различном веществе и что скорость распространения света в любых веществах обратно пропорциональна квадрату плотности эфира. Эти две гипотезы дали полное и достаточное объяснение аберрации; вторая 185 обсуждалась для того, чтобы проверить ее в экспериментах Физо, а также Майкельсона и Морли; первая гипотеза о том, что эфир неподвижен в пространстве, всегда вызывали сомнение. Первое предложение метода измерения относительного движения Земли и эфира с помощью оптического эксперимента было сделано Джеймсом Клерком Максвеллом в его статье "Эфир", которая была опубликована в томе Британской энциклопедии в 1878 г. Предполагалось что эфир находится в покое, что световые волны распространяются в свободном эфире в некотором направлении и всегда с одинаковой скоростью по отношению к эфиру и что Земля в своем движении в пространстве свободно проходит сквозь эфир, не захватывая его. Эксперимент основывался на том соображении, что кажущаяся скорость света должна быть различна в зависимости от того, переносится ли наблюдатель Землей вдоль линии распространения света или под прямым углом к этой линии. Таким образом, появляется возможность определить скорость относительного движения между движущейся Землей и неподвижным эфиром, что должно наблюдаться как "эфирный ветер" или "эфирный дрейф". Орбитальное движение Земли имеет скорость 30 км/с, в то время как скорость света в десять тысяч раз больше и составляет 300.000 км/с. Если бы было возможно измерить прямое влияние орбитального движения Земли на кажущуюся скорость света, то скорость, измеренная вдоль линии движения, отличалась бы от скорости света, распространяемого под прямым углом к этой линии, на 30 км/с или на 1 /10.000. Это был бы "эффект первого порядка". Максвелл объяснил, что поскольку все практические методы требуют, чтобы свет распространялся от одного пункта к другому и возвращался назад к первому пункту, положительный эффект от движения Земли будет нейтрализован негативным эффектом от возвращения луча, однако благодаря движению наблюдателя во время перемещения света нейтрализация не будет совершенно полной, и можно наблюдать "эффект второго порядка", пропорциональный квадрату отношения скорости Земли к скорости света. Максвелл сделал в статье следующее заключение: "Изменение во времени распространения Света из-за наличия относительной скорости эфира таково, что движение Земли по своей орбите создаст только одну стомиллионную долю полного времени распространения и поэтому будет совершенно незаметно". Позже проф. Альберт А.Майкельсон принял максвелловский вызов, и когда он находился в Берлинском университете в 1880-1881 гг., он придумал замечательный инструмент, повсеместно известный как 186 интерферометр Майкельсона, который был специально приспособлен для экспериментов с эфирным ветром [2 ]. В интерферометре луч света буквально расщеплялся на два посеребренным полупрозрачным зеркалом, и оба луча могут быть пропущены под прямым углом друг к другу. В конце заданного пути каждый луч отражается назад, и оба идут к тому месту, где они были разделены. Если два пути, лежащих под прямым углом, были оптически эквивалентны, воссоединенные лучи света согласованно сложат свои волны. Если, однако, пути света в интерферометре различны по своим длинам или по оптическим свойствам среды, через которую свет пропускается, различие в фазе приведет к результату, который может наблюдаться как смещение "интерференционных полос". Наблюдение этих полос дает возможность обнаружить чрезвычайно малые изменения относительной скорости света в двух частях интерферометра; измерения проводятся в долях длин волн света: Майкельсон сам применил свой интерферометр для отыскания относительного движения Земли и эфира, как предлагал Максвелл. Александр Грэхэм Белл разработал конструкцию нового прибора (см. рис. 1.3, который в точности повторяет рис. 19.1), который был изготовлен Шмидтом и Ханшеном в Берлине. Полупрозрачное зеркало было помещено над центральной осью, а два плеча, образующие прямой угол, длиной каждое по 120 см несли на своих концах зеркала. Аппаратура была снабжена телескопическим плечом; наведение его в различные азимуты давало возможность определять эффект орбитального движения Земли, когда свет пропускается в направлении движения и под прямым углом к нему. Первые попытки проведения экспериментов по эфирному ветру были предприняты в Физическом институте университета в Берлине, но наводки от уличного движения делали невозможным наблюдения полос, кроме как среди ночи. Эксперимент был перенесен в обсерваторию в Потсдам, интерферометр был смонтирован в пустом месте в нижней части кирпичного фундамента, поддерживающего большой телескоп. В отчете об эксперименте, опубликованном в 1881 г. [3] с уточненным объяснением в статье 1887 г., установлено, что с учетом только орбитального движения Земли смещение интерференционных полос должно составлять 0,04 ширины полосы; реально же наблюдаемые смещения варьировались от 0,004 до 0,015 ширины полосы и являются просто погрешностью эксперимента. Было сделано заключение, что гипотеза стационарного эфира не подтвердилась.187 Эксперименты Майкельсона-Морли, Кливленд, 1887 г. В1887 г., когда он находился в Европе, Майкельсон был приглашен в профессуру физики во вновь организованную Кейсовскую школу прикладной науки в Кливленде и таким образом познакомился с покойным Эдвардом В.Морли, проф. химии в Западном филиале университета; эти два института располагались напротив друг друга. Проф. Морли предложил некоторые важные усовершенствования интерферометра и методики его применения с тем, чтобы можно было адекватно измерять ожидавшийся тогда эффект в эксперименте по эфирному ветру. За счет ассигнований со стороны фонда Баха Национальной академии наук был сконструирован новый интерферометр, в который вошли эти усовершенствования; оптические части были сделаны покойным Джоном А.Браширом из Питсбурга. Для того чтобы избежать возмущений от вибраций и деформаций, оптические части были смонтированы на твердом блоке из песчаника (см. рис. 2.2, который в точности повторяет рис. 19.2), который плавал в ртути, содержащийся в круглом чугунном баке. Эта плавающая опора сделала возможным поворачивать интерферометр на различные азимуты, что улучшало наблюдения. Каменная квадратная плита имела сторону 130 см и толщину 30 см. Чтобы получить необходимую чувствительность, эффективный световой путь был увеличен с помощью отражения света назад и вперед так, что он проходил диагональ квадратного камня восемь раз, давая эффект интерферометра с плечом около 1100 см длиной. Ожидаемое смещение полос, соответствующее скорости Земли на ее орбите, составляет 0,4 ширины полосы. Майкельсон и Морли совершили свой исторический эксперимент в северной комнате подвального этажа главного здания Колледжа Адельберта в Кливленде в 1887 г.; их полная серия наблюдений имела продолжительность 6 ч, по одному часу в полдень 8, 9 и 11 июля и по одному часу вечером 8, 9 и 12 июля и состояла из 36 оборотов интерферометра; считывания проводились на каждом из 16 равноотстоящих положений в каждом обороте. Методы наблюдения были ориентированы на то, чтобы найти предполагаемое движение Земли по направлению к известной точке пространства с заданной скоростью, и поэтому не были сделаны главные серии наблюдений. Кратких серий наблюдений было достаточно, чтобы ясно показать, что полученный эффект не имеет ожидаемого значения. Однако, и это следует подчеркнуть, что полученный эффект не был нулевым; чувствительность аппарата была такая, что заключение, опубликованное в 1887 г. уста- 188 новило, что наблюдаемая относительная скорость Земли и эфира не превышает 1/4 орбитальной скорости Земли. Это совершенно отличается от нулевого результата, теперь так часто приписываемого этому эксперименту авторами работ по теории относительности. Также совершенно необходимо обратить внимание на следующий исторический факт: Майкельсон и Морли провели только одну серию наблюдений, в июле 1887 г., и никогда не повторяли эксперимента по эфирному ветру в другое время, несмотря на множество противоположных печатных сообщений. В первоначальной оценке своего эксперимента Майкельсон и Морли привели реальные отсчеты положений интерференционных полос в шести сериях наблюдений. Верхняя длинная кривая на рис. 19.3 показывает среднее из трех серий отсчетов, сделанных днем, а нижняя длинная кривая - среднее для трех серий, сделанных вечером. Эти Кривые показывают смещение полос для полного оборота интерферометра, в это время смещение полос в результате действия эфирного ветра было периодическим в каждой половине оборота. Чтобы найти окончательный эффект, вторую половину длинной кривой суммировали с первой половиной, чем погашались полнопериодический эффект и все нечетные гармоники, даваемые короткой кривой, изображающей желаемый полупериодический эффект, вместе с высшими гармониками, которые также могут быть. Рассмотрение кривых ясно показывает, что они вовсе не дают нулевого значения; они не являются результатом случайного разброса и дают продолжительный систематический эффект. Полнопериодические кривые были подвергнуты анализу с помощью механического гармонического анализатора, который определил истинное значение полупериодического эффекта; он, будучи сопоставлен с соответствующей скоростью относительного движения Земли и эфира, показал скорость 8,8 км/с для полуденных наблюдений и 8 км/с для вечерних наблюдений. На рис. 19.4 плавная кривая показывает значения скорости эфирного ветра в течение суток для широты Кливленда, которые определены детально для дрейфа и которые описаны ниже в настоящей статье по данным наблюдений, сделанных на Маунт Вилсон. Два кружка на этом графике соответствуют скорости дрейфа, реально полученному Майкельсоном и Морли для полуденных и вечерних наблюдений, показавших полное соответствие с результатами более поздней работы, описанной здесь. Тот факт, что результат, полученный Майкельсоном и Морли, не был пренебрежимо мал, был очень полно установлен ранее профессором Хиксом из Университетского колледжа Шеффилда в 1902 г. в его важном теоретическом исследовании первоначального эксперимента [2 ]. 189 Хикс также обратил внимание на присутствие полного периода, эффекта первого порядка, который никогда не был исследован в достаточной степени; этот эффект первого порядка будет обсужден ниже. ^ ПОСЛЕ ПОЛУДНЯ Рис. 19.3. Смещение интерференционных полос в первоначальном эксперименте Майкельсона-Морли в 1887 г. По оси абсцисс - угол поворота интерферометра, одно деление равно 1/16 оборота 190 Рис. 19.4. Скорость эфирного ветра, наблюденного Майкельсоном и Морли в 1887 г. и Морли и Миллером в 1902,1904 и 1905 it.: о-Майкельсон и Морли, 1887г. -Морли и Миллер, 1902г.;- Морли и Миллер, 1904 г- Морли и Миллер, 1905 г. Гипотеза Лоренца-Фицжеральда Эксперимент Майкельсона-Морли, который показал, что теория эфира была или неполной, или неправильной, привлек широко внимание мира, потому что он имел фундаментальный характер, а также потому, что результат оказался совершенно неожиданным. Проф. Фицжеральд из Дублина в 1891 г. выдвинул объяснение малого эффекта на основе гипотезы о том, что силы, связывающие молекулы в твердом теле, могут изменяться при движении тела сквозь эфир и таким образом, что размеры каменного основания интерферометра должны укорачиваться в направлении движения и это сокращение может быть таким, что оно нейтрализует оптический эффект, отыскиваемый в эксперименте Майкельсона-Морли. Фицжеральд не опубликовал своей теории в научных журналах, но он изложил ее в своих письмах. Эта теория была представлена к публикации сэром Оливером Лоджем в его статье "Проблемы аберрации и новые эфирные эксперименты", представленной 31 марта 1892 г. в Королевское общество, эта статья была опубликована в Philosophical Transactions в 1893 г. [5 ]. Лодж изложил дополнительные детали этой гипотезы в своей недавно изданной автобиографии [6 ]. В1895 г. проф. Лоренц из Лейдена развил теорию, придав ей системный характер, имея в виду, что частицы всех твердых тел удерживаются вместе электрическими силами и что дви- 191 жение тела как целого должно изменять электрические силы между атомами за счет появления магнитных эффектов, вызванных движением. Результатом этого должно быть сокращение размера тела в направлении движения, и это сокращение пропорционально квадрату отношения скоростей перемещения и света, оно должно иметь такое значение, чтобы полностью аннулировать эффект эфирного ветра в интерферометре Майкельсона-Морли [7]. Если сокращение зависит от физических свойств твердого тела, то можно предположить, с другой стороны, что полный ожидаемый эффект, аннулируемый в одной аппаратуре, может в аппаратуре с различными материалами дать эффект, отличный от нуля, возможно, противоположного знака. Эксперименты Морли-Миллера, Кливленд, 1902-1906 гг. Интерферометр из дерева, 1902г. На Международном конгрессе по физике, состоявшемся в Париже в 1900 г. во время Международной выставки, Лорд Кельвин произнес речь, в которой он изложил основные теории эфира и подчеркнул значение результатов экспериментов Майкельсона-Морли для этих теорий. Проф. Морли и автор присутствовали, и в их разговоре с Лордом Кельвином последний решительно настаивал на повторении эксперимента по эфирному ветру с более совершенной аппаратурой. Морли и Миллер затем сконструировали интерферометр, специально рассчитанный на проверку гипотезы Лоренца-Фицжеральда, База этого интерферометра была выполнена в форме креста, сделанного из белых сосновых досок длиной около 430 см, свет пропускался вдоль досок более, чем три раза, так же, как это было сделано Майкельсоном и Морли в 1887 г. Основные размеры, оптические части и методы наблюдений с использованием этой аппаратуры были теми же, что и для стального интерферометра, детально описанного в последующих разделах настоящей статьи. Прибор был смонтирован в северо-западном углу подвальной комнаты в главном здании Кейсовской школы прикладной науки; в августе 1902 г. и в июне 1903 г. были проведены три серии наблюдений, состоящие из 505 поворотов интерферометра. Был обнаружен небольшой положительный эффект, показанный квадратиком на рис. 19.4, который, хотя и был несколько больше, чем в предшествующем эксперименте, был еще слишком мал, что указывало на то, что если уменьшение наблюдаемой скорости отнести за счет гипотетического сокращения размеров, то сосна подвержена ему в той 192 же степени, что и песчаник. Изменения в деревянных опорах из-за вариаций влажности и температуры затрудняли получение точных наблюдений, и было решено отказаться от сосновой базы аппаратуры и сконструировать прибор с базой из металла для закрепления тяжелых частей, причем такой, чтобы в ней длина оптического пути определялась различным материалом - деревом или металлом - по желанию. При разработке новой аппаратуры были проведены эксперименты для выявления влияния магнитного поля на железные части прибора; такое влияние на результаты следовало исключить. На противоположных концах одного из длинных плеч крестовины были подвешены массивные бруски железа, причем один брусок размещался параллельно земному магнитному полю, а другой - поперек него; их влияние менялось на противоположное при изменении азимута аппаратуры на противоположный. Наблюдения с нагрузкой дали те же самые результаты, что и ранее. В дальнейшем эксперименте на одном плече были размещены аналитические балансиры, вместе с которыми железный брусок весил 1200 г. Брусок был ориентирован так, чтобы при одном азимуте аппарата он был параллелен направлению земного магнитного поля, в то время как второй располагался поперек направления поля. При этом могла быть определена разница в полмиллиграмма, но такой разницы не было. Наблюдение за эффектом проводилось с помощью размещения груза с известной массой на одном плече интерферометра; было показано, что земной магнетизм не может являться возмущающим фактором. Описание нового стального интерферометраАссигнования, выделенные фондом Румфорда Американской академии искусств и наук, сделали возможным разработку в 1904 г. совершенно нового стального аппарата. Расчет основы интерферометра, выполненный проф. Ф.Х.Неффом из отдела гражданской техники Кейсовской школы прикладной науки, был проведен с учетом того, что все оптические части и принадлежности должны быть размещены на двух балках из структурной стали (рис. 19.5, 19.10 и 19.14), каждая около 430 см длины, пересекающихся в форме креста. Цель этого расчета была гарантировать структурную симметрию и наивысшую жесткость. Стальной крест крепился на круглом деревянном поплавке (рис. 19.5) диаметром 150 см; на нижней стороне размещалось деревянное кольцо, имеющее внешний диаметр 150 см, внутренний диаметр 80 см и толщину 20 см. Деревянный поплавок покоился на ртути, налитой в 193 кольцевой желоб из чугуна, размеры которого оставляли зазор около 1 см вокруг дерева; этот зазор заполнялся ртутью. Потребовалось около 275 кг ртути, чтобы обеспечить плавучесть всего аппарата, масса которого составила около 1200 кг. Поплавок сохранял центральное положение благодаря центральной шпильке, которая удерживалась без давления. Кольцевой железный бак поддерживался опорами из кирпича или бетона такой высоты, которая требовалась для того, чтобы окуляр наблюдательного телескопа находился на уровне глаз наблюдателя, соответственно его позе во время хождения вокруг интерферометра, плавно поворачивающегося на ртути. Чугунный желоб для ртути вместе с круглым деревянным поплавком являются теми же самыми частями, которые были использованы в первоначальном интерферометре Майкельсона и Морли в 1887 г., и эти две части продолжают использоваться автором до настоящего времени. Остальные части аппарата 1887 г. были выброшены, исключая только три чугунных держателя для зеркал. Все плоские оптические поверхности были сделаны в 1902 г. оптическим мастером О.Л.Петитдидером из Чикаго, и их качество было совершенным; они состояли из двух плоскопараллельных пластин, каждая размером 10,5x17,5 см, и 16 плоских зеркал круглой формы диаметром 10,25 см. Общий план интерферометра показан на рис. 19.6, который выполнен не в точном масштабе. На центральной пластине на пересечении плеч крестовины смонтированы полупрозрачное посеребренное диагональное зеркало D, и его компенсационная пластина С, изготовленные из одной плоскопараллельной пластины. На внешнем конце каждого плеча крестовины смонтировано по четыре круглых Рис. 19.5. Секция крестовины на ртутном поплавке для интерферометра 194зеркала на металлической пластине, которая удерживается в вертикальном положении. Каждое из 18 зеркал удерживается пружинами против точек трех регулировочных винтов, чтобы иметь возможность осуществить необходимую регулировку для обеспечения надежной интерференции. Для того чтобы обеспечить возможно более точную симметрию двух плеч микрометрический винт для перемещения концевого зеркала параллельно самому себе не используется, а все регулировки обеспечены с помощью трех простых винтов, так же, как и для других зеркал. Свет от источника 5 выпускается параллельно конденсирующей системой L, состоящей из трех линз диаметром 15 см, и достигает полупрозрачного зеркала D. Часть этого света передается к зеркалу 1-1; он последовательно отражается от зеркал 2,3,4,5,6,7 и 8, пройдя расстояние, примерно равное 7,5 длин плеча крестовины. От зеркала 8 свет возвращается обратно к D, где он Рис. 19.6. План оптических путей в интерферометре 195 частично отражается к наблюдательному телескопу ^ Т. Второй луч света падает на D и отражается вдоль второго плеча крестовины к II-I, отражается вперед и назад, возвращается к D и частично транслируется к наблюдательному телескопу. В реальной аппаратуре (см. рис. 4.3, который в точности повторяет рис. 19.7) зеркала 5 и 7 размещены выше зеркал 3 и I, а зеркала 6 и 8 выше зеркал 4 и 2. С помощью этой системы зеркал эффективная длина плеча интерферометра значительно возрастает и в реальной аппаратуре составляет 3203 см, обеспечивая полную длину пути, прямого и обратного, 6406 см, что составляет около 112.000.000 длин волн ацетиленового света, примененного в эксперименте. Телескоп имел апертуру 3,3 см, длину фокусного расстояния 33 см, и увеличение 35 раз. Телескоп сфокусирован на поверхности зеркала 8, где, после того как регулировка завершена, должны появиться интерференционные полосы. Такой аппарат, состоящий из оптических плоских поверхностей, стальной крестовины и ртутного бака с поплавком, был применен автором во всех экспериментах с 1904 г. до настоящего времени, исключая то, что для эксперимента декабря 1921 г. стальная крестовина была размещена на основании из бетона. В 1923 г. малый считывающий телескоп был заменен на астрономический телескоп с 13-сантиметровой апертурой, имеющий увеличение в 50 раз. Весь путь света в аппарате закрыт, покрытие было выполнено из соснового дерева, но только для экспериментов 1904 г.; в 1905 г. покрытие было для всех плеч выполнено из стекла, это сделало аппарат полностью прозрачным в горизонтальном плане; это устройство, показанное на рис. 19.8 и 19.9, применяется до настоящего времени*. f Регулировка интерферометра Когда зеркала установлены, расстояния между ними, равные примерно 425 см, выравнивались с помощью легкой деревянной линейки, и зеркала регулировались так, что два световых луча, каждый состоящий из восьми отдельных частей, были примерно одинаковыми. Для установления интерференции применялся натриевый свет от обычной натриевой лампы лабораторного типа; наблюдая визуально | максимум системы натриевых интерференционных полос, ================================================== * Рис. 19.8, 19.9, 19.10, 19.16 и 19.17 не приводятся в связи с техническими трудностями воспроизведения нечетких изображений в статье-оригинале. - В. А. 196 регулировки осуществлялась по центру этой системы, где полосы белого светa могли быть замечены. Когда аппарат был впервые собран на Маунт Вилсон, время, потребовавшееся для приближенной регулировки расстояния между зеркалами с помощью деревянной линейки, составило около 1 ч, для средних зеркал - 15 мин, для нахождения полос с белым светом - 45 мин или 2,5 ч для всей операции. В другом случае полосы для натриевого света были найдены за 10 мин тщательной работы, а полосы белого света - за 45 мин. Для предварительной регулировки пытались применить ртутную дугу и другие монохроматические источники, но натриевый источник оказался предпочтительнее, потому что средняя часть интерференционной системы полос, которая соответствует равным световым путям в двух плечах интерферометра, может быть легко установлена. Полосы белого света были выбраны потому, что они состоят из небольших групп линий, имеющих отчетливые черные линии с резкими краями, которые формируют нулевую отметку для последующих отсчетов. Раньше, до 1924 г. в качестве источника света применялась маленькая ацетиленовая лампа типа тех, которые используются для велосипедов; лампа была закреплена на кронштейне, установленном на конце одного из плеч интерферометра, как показано на рис. 19.10 и 19.13. Такая лампа дает концентрированный, яркий и очень устойчивый свет с минимальным выделением тепла; сама лампа очень проста, имеет малую массу, а горит несколько часов, почти не требуя внимания. Для наблюдений 1924 г. и для части наблюдений апреля 1925 г. источник был размещен вне комнаты интерферометра, как объяснено позже, и была применена большая лампа типа автомобильной фары, показанная на рис. 19.10. В апреле 1925 г. была вновь выбрана маленькая ацетиленовая лампа, теперь она была помещена на потолке покрытия интерферометра по центральной оси, как показано на рис. 19.9, свет передавался в оптические пути с помощью двух зеркал на конце одного из плеч. Устройство это действует и сейчас. Монохроматические линии в наблюдениях эфирного ветра никогда не применялись, хотя экспериментальные попытки и делались, как будет описано ниже. Интерференционные линии сформировались на поверхности наиболее удаленного зеркала, по схеме, № 8 серии, как уже описано. К несущей раме этого зеркала прикреплен маленький кончик стрелки из латуни, который находится почти в контакте с зеркалом и проектируется в поле зрения, формируя фиксированную начальную метку для определения положения системы полос. Прежде чем начать наблюдения, концевое зеркало № 8 на телескопическом плече очень 197 Рис. 19.11. Интерференционные полосы, наблюдаемые в интерферометре.тщательно регулируется, чтобы подобрать подходящую ширину вертикальных линий. Имеются две регулировки углов этого зеркала, которые будут давать линии той же ширины, но которые производят противоположные смещения линий при одних и тех же изменениях в одном из световых путей. Всегда очень большое внимание требуется для того, чтобы отрегулировать этот критический угол так, чтобы заставить точку указательной стрелки появляться справа от центральной черной полосы, когда световой путь телескопического плеча увеличивается в эффективной длине; отсчет для такого положения записывается со знаком плюс. Когда указатель появляется слева от центральной полосы, - отсчет отрицательный, соответствуя укорочению телескопического плеча. Регулировка использована полностью, когда от шести до десяти полос появляются в поле зрения и так, что центральная черная линия находится не более чем на расстоянии двойной ширины полосы от указателя. На рис. 19.11 показано поле зрения с установленными узкими полосами и широкими полосами, последние соответствуют условиям реального наблюдения. 198 Метод применения интерферометра Метод применения интерферометра для определения эфирного ветра предполагает, что телескопическое плечо интерферометра будет находиться в линии движения Земли с учетом проекции движения эфира на плоскость интерферометра, поскольку второе плечо находится под прямым углом к этому движению. Интерференционные полосы будут показывать определенный отсчет по отношению к указателю в поле зрения. Аппарат затем поворачивается на угол 90°, так что влияние движения Земли на кажущуюся скорость света переносится с одного телескопического плеча на другое: в результате система интерференционных полос будет смещена на расстояние, зависящее от квадрата отношения скорости движения к скорости света. Однако направление абсолютного движения Земли неизвестно, поэтому невозможно установить интерферометр определенно в желаемое положение и его приходится медленно вращать на ртутном поплавке, так что телескоп проходит последовательно все азимуты. Относительное движение Земли и эфира будет тогда вызывать периодическое смещение интерференционных полос, полосы двигаются сначала в одну сторону, а затем в другую по отношению к указателю в поле зрения, с двумя полными периодами в каждом обороте инструмента. Неизменность температурных условий важна для постоянства размеров аппарата и рефракции воздуха в оптическом пути. Обычно аппарат приводится в движение за час или более до того, как начать отсчеты. Иногда для того, чтобы обеспечить постоянство распределения температуры применяется вентилятор, а окна обычно были открыты во все стороны. Однако когда наблюдения проводились в дневное время, окна должны были закрываться занавесями или темной бумагой. Аппарат приводится в движение тягой в несколько унций (унция - 28,3 г) посредством тонкой струны, прикрепленной к деревянному поплавку; струна смягчала усилие , и даже если бы она порвалась, не могло бы произойти заметного рывка стального интерферометра, который покоится на поплавке. Интерферометр поворачивается так легко, и он имеет такую инерцию, что если он начал вращение, то он будет продолжать вращение полтора часа или более без толчков и рывков. Он вращается совершенно свободно, так что это является "плаванием" без ускорений и возмущений. Цель наблюдений заключается в определении смещения интерференционных полос и направления, в котором направлен телескоп, когда это смещение максимально. Наблюдатель ходит по кругу диаметром около 20 футов (6 м), удерживая свой глаз на движущемся окуляре телескопа, прикрепленного к интерферометру, который плав- 199 но поворачивается вокруг своей оси со скоростью 1 об. за 50 с. Наблюдатель не должен касаться интерферометра во время своего пути и в то же время он не должен терять из виду интерференционных полос, которые видны только через маленькую апертуру окуляра телескопа, имеющую диаметр около 0,25 дюйма (порядка 6,4 мм). Струна, прикрепленная к поплавку и упомянутая выше, может быть использована как чувствительная направляющая, чтобы помочь наблюдателю в нахождении правильного закругленного пути. К деревянному поплавку прикреплена тонкая металлическая щетка, последовательно касающаяся 16 контактов, находящихся на равном расстоянии друг от друга на баке со ртутью, замыкая электрическую цепь, которая включает небольшой звуковой сигнализатор и указывает мгновение, в которое должен происходить отсчет. Совершенно реально можно провести отсчеты положений интерференционных линий, соответствующих шестнадцати равноотстоящим азимутам на одном обороте интерферометра при скорости 1 об. за 50с. "Серия" отсчетов, соответствующая "одиночному наблюдению" и изображенная одной точкой на диаграммах первоначальных наблюдений, обычно состоит из 320 отсчетов, сделанных за 20 об. на протяжении 18 мин. Среднее время между началом и окончанием серии отсчетов принято за время наблюдения. Обычно 20 об. наблюдаются в непрерывной последовательности, однако если один отсчет при каком-либо азимуте утрачен из-за вибрации держателя или по какой-нибудь иной причине, то аннулируется весь оборот. Регулировки сохраняются так, чтобы центральная линия в поле зрения (см. рис. 19.7) никогда не отклонялась от точки отсчета на расстояние большее, чем две ширины полосы. Чисто температурный дрейф таков, что полосы перемещаются на большее расстояние, чем это было ранее в полной серии из 20 об. Когда это происходит, система полос восстанавливается в центральное положение простым перемещением малой массы 200 или 300 г на одном конце плеча или снятием массы с плеча. Все это делалось без остановки непрерывного вращения аппарата и обычно без перерыва отсчетов, а если отсчет не был зафиксирован, то этот оборот выбрасывался, и наблюдения продолжались до тех пор, пока не набиралась серия из 20 полных оборотов. Только изредка необходимо вновь подрегулировать положение полос с помощью винтов, на которые опираются зеркала. В некоторых случаях температурные условия оказывались столь стабильными, что не требовалось регулировать полосы в течение нескольких серий наблюдений, которые могут 200 продолжаться час или более; такие серии наблюдений повторялись регулярно в течение нескольких часов рабочего времени. Представляется очень важным, чтобы интерферометр не был закрыт ни металлическим экраном, ни другим непрозрачным покрытием, а также то, что аппарат не должен помещаться внутри комнаты с тяжелыми стенами, какие требуются для комнат с постоянной температурой. Насколько это возможно, аппарат должен быть открыт, чтобы не происходило захвата эфира окружающими прибор массивными материалами. Инструмент весьма чувствителен к изменению температуры и к вибрации опоры, а измеряемая величина чрезвычайно мала. Когда же аппарат использует минимальные покрытия, он подвержен в большей степени температурным возмущениям, чем когда он полностью защищен; тогда результаты в большей степени разбросаны среди отдельных отсчетов, поэтому необходимо собрать большое число отсчетов и так быстро, насколько это возможно при этих условиях. Усреднение отсчетов затем выявит присутствие эфирного дрейфа, потому что температурные изменения, которые происходят более медленно, будут отсутствовать в конечном усредненном результате. Если отсчеты проведены в интервале около 3 с, положение максимального смещения зависит от считываний, продолжающихся меньше 10 с. Полный период смещения происходит в интервале около 25 с. Любой температурный эффект или другая возмущающая причина, которая не строго периодична каждые 25 с в интервале 50 мин, будет гарантированно отброшена в процессе усреднения, в то время как останется реальный эффект. Таким образом, результаты наблюдений за направлением абсолютного движения в широком диапазоне не зависят от обычных температурных вариаций. И хотя наблюдательная способность людей различна, наблюдения могут быть выполнены со значительной уверенностью во всех условиях. Возмущения из-за температуры или других причин, длящиеся несколько секунд или несколько минут, могут влиять на реальные значения наблюдаемого смещения и делать менее уверенным значение скорости эфирного ветра; однако в то же время положение азимута смещения не изменится. До 1925 г. интервал времени реальных считываний ограничивался одним или двумя часами определенного времени суток; время, требуемое для подготовки и предварительной регулировки, увеличивало этот интервал еще на два часа. Процесс, примененный в 1925 г., сделал необходимым распределение наблюдения равномерно по 24 часам суток для того, чтобы определить ежедневные изменения. Отсчет показаний термометров и регулировка положения полос проводятся за несколько минут; в течение рабочего дня или ночью, за 8 часов, в 201 течение каждого часа могут быть сделаны две серии отсчетов. Собраны сотни серий отсчетов, распределенные по 24 часам суток, выполненных при удовлетворительных погодных условиях на протяжении шести-^ Эксперименты на Маунт Вилсон, 1921 г. Наблюдения в апреле 1921г. Стальной интерферометр Благодаря любезности Института Карнеги в Вашингтоне интерферометр для обнаружения эфирного ветра был установлен на Маунт Вилсон в марте 1921 г. на фундаменте обсерватории Маунт Вилсона на утесе "Смятый холм" или "Эфирном утесе", как он будет назван позднее, около участка 100-дюймового телескопа на высоте около 1750 м. Бетонный фундамент покоился на открытой скале холма, и четыре бетонные опоры были сформированы для поддержки железного бака со ртутью на подходящей высоте. Это сооружение было заключено в легкий квадратный домик (рис. 19.16) со стороной 20 футов (6м) и высотой до конька крыши около 12 футов (3,7 м). Стороны дома были огорожены листами из гофрированного