Содержание
стр.
Введение…………………………………………………………………. 2
I. Жизнь и творчество А.А. Майкельсона ……………………………… 3-4
II Об эфирном ветре……………………………………………………… 5
III. Об относительном движении Земли исветоносного эфира……… 6-14
Заключение……………………………………………………………… 15
Литература………………………………………………………………. 16
Введение
/> Альберт Майкельсон.
Майкельсон(Michelson) Альберт (19.XII.1852–9.V.1931). Американский физик. В 1878–82 и1924–26 провел измерения скорости света, долгое время остававшиесянепревзойденными по точности. В 1881 экспериментально доказал и совместно сЭ. У. Морли (1885–87) подтвердил с большой точностью независимостьскорости света от скорости движения Земли. Эти работы явились экспериментальнымобоснованием специальной теории относительности. В своем опыте Майкельсонприменил изобретенный им интерферометр, с помощью которого в 1892–93 провелизмерения спектральных линий различных элементов. Предложил в качестве эталонадлины взять длину волны красной линии кадмия. Построил спектральный приборсверхвысокой разрешающей силы. В последние годы жизни занимался определениемугловых диаметров звезд, для чего создал звездный интерферометр. Нобелевскаяпремия (1907) за созданные им оптические приборы и проведенные с их помощьюисследования.
I.Жизнь и творчество А.А. Майкельсона
МАЙКЕЛЬСОН, АЛЬБЕРТАБРАХАМ (Michelson,Albert Abraham) (1852–1931), американский физик, удостоенный в 1907 Нобелевскойпремии по физике за создание прецизионных инструментов и выполненные с ихпомощью спектроскопические и метрологические исследования.
Альберт Майкельсон родился19 декабря 1852 года в польском местечке Стрельно, принадлежавшем в то времяГермании (ныне Стшельно, Польша). Когда ребенку исполнилось два года, семьяэмигрировала в Америку. Отец Альберта, Сэмюэль Майкельсон, владевший в Стрельнонебольшим галантерейным магазином, сначала работал ювелиром в Нью-Йорке, затемпереехал с семьей к своей сестре в Калифорнию. Это был период калифорнийской«золотой лихорадки». Толпы золотоискателей и веселых бродяг, шумныхторговцев и отчаянных головорезов составляли население «лагеряМэрфи», где Сэмюэль открыл маленькую галантерейную лавочку. Однажды влавку зашел бородатый золотоискатель с черным футляром под мышкой. Притаившийсяв углу Альберт со страхом глядел на заросшее лицо незнакомца.
«Что ты так испугался, малыш?» — спросил золотоискатель: «Хочешь, я тебя развеселю?».
Бородач вынул из футляраскрипку и начал играть. Волшебные звуки очаровали мальчика. Золотоискательоказался хорошим музыкантом. Он привязался к Альберту и стал учить его игре наскрипке, а тот старательно упражнялся и вскоре научился очень неплохо играть. Втринадцать лет мальчика определили в среднюю школу в Сан-Франциско. Директорпоселил его в своем доме и быстро обнаружил у воспитанника незаурядныеспособности к механике. Они были настолько явными, что Альберту поручили ремонтнехитрого школьного оборудования, за что платили три доллара в месяц. Послеокончания школы на семейном совете было решено: надо поступать в Морскуюакадемию. Она давала прекрасное образование, возможность блестящей карьеры и,что было немаловажно для небогатой многодетной семьи, государственноесодержание со стипендией 500 долларов в год.
Новоиспеченный кадетуспевал по всем предметам весьма средне, за исключением естественных наук иматематики. Он занимался боксом, став «первой перчаткой» академии в легкомвесе, фехтованием, теннисом и рисованием. Отслужив два обязательных годаморской службы на нескольких кораблях, Майкельсон получил предложениепреподавать физику и химию в академии. И с радостью согласился.
В 1873 окончил Военно-морскую академию в Аннаполисе.После выпуска два года плавал на кораблях, а затем был назначен преподавателемфизики той же академии. В это время началась научная деятельность Майкельсона.
Он словно проснулся. Доэтого его жизнь была цепочка довольно заурядныхсобытий: служба, спорт, музыка, рисование… Женитьба в 24 года. Что его ждетдальше? Больше всего на свете его интересует физика, и особенно оптика.
Первым его успехом было повторение опыта Фуко поизмерению скорости света, при этом точность полученных им результатов долгоевремя оставалась непревзойденной. В 1880–1882 он стажировался в университетахБерлина, Гейдельберга, Парижа. Работая в Берлине у Гельмгольца, заинтересовалсяпроблемой обнаружения «эфирного ветра» и для проведения соответствующегоэксперимента сконструировал интерферометр, названный впоследствии его именем. Сего помощью провел измерения спектральных линий различных элементов, однакоответа на основной интересовавший его вопрос не получил из-за недостаточнойточности установки. В 1883 вернулся на родину, до 1889 был профессором Школыприкладных наук в Кливленде. Здесь он провел важное исследованиераспространения света в сероуглероде, подтвердившее теорию Рэлея о связи междугрупповой и фазовой скоростями, а затем решил вернуться к опытам, начатым вЕвропе. Совместно с Э.Морли создал новый интерферометр, позволявший достичьнеобходимой точности, и в 1887 получил результат, который английский ученыйДж.Бернал назвал «величайшим из всех отрицательных опытов в истории науки».Этот опыт стал фундаментальным подтверждением специальной теорииотносительности. В 1889–1892 Майкельсон работал профессором университета Кларкав Вустере (шт. Массачусетс), затем до 1929 – профессором Чикагскогоуниверситета. В 1890-е годы он решил важную метрологическую задачу: провелизмерение эталона метра в единицах длины волны излучения кадмия. В эти же годы,заинтересовавшись звездной спектроскопией, изобрел спектральный прибор высокойразрешающей способности – «эшелон Майкельсона».
В 1920 с помощью изобретенного им «звездногоинтерферометра» провел измерения угловых размеров звезды-гиганта Бетельгейзе. В1929 он повторил опыт Майкельсона – Морли, добившись еще более высокойточности. Последним его исследованием, завершить которое пришлось ученикам,стало новое измерение скорости света, но уже в вакууме.
В 1900–1903 Майкельсон был президентом Американскогофизического общества, в 1923–1927 – президентом Национальной академии наук США.Умер Майкельсон в Пасадене (шт. Калифорния) 9 мая 1931.
II. Обэфирном ветре
Создание Максвеллом теории электромагнитного поляпоставило перед физикой новые задачи, одной из которых была проблемаприменимости принципа относительности, сформулированного Галилеем в XVII в., кэлектродинамическим 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 былобы принять за абсолютную систему отсчета, что означало бы отказ от принципаотносительности. К моменту создания теории электромагнитного поля уже имелисьнаблюдения и эксперименты (наблюдения аберрации света, опыты Физо поисследованию распространения света в движущейся воде и др.), результаты которыхпозволили высказать определенные гипотезы о свойствах эфира. Однаконепосредственные доказательства существования эфира мог дать только прямойэксперимент. Идею такого опыта сформулировал еще Максвелл, предложившийиспользовать в качестве движущегося тела Землю, которая перемещается по орбитесо скоростью v ≈ 30 км/с. Однако Максвелл справедливо указал, чтоосновная трудность в постановке этого эксперимента состоит в том, что он долженбыть 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 светаво всех подобных опытах, проводимых на Земле). Столь высокая точность,уникальная для экспериментальной физики XX в., была достигнута в опытахамериканских ученых А. Майкельсоном и Э. Морли.
История опыта Майкельсона – Морли изобилуетинтересными и поучительными эпизодами. Первый вариант интерферометра былпостроен немецкими мастерами в Берлине на средства, предоставленныеизобретателем телефона американцем А. Беллом. Неудача европейского циклаисследований Майкельсона была связана с тем, что прибор оказался чрезвычайночувствительным к вибрациям, которые не удавалось устранить даже при помещенииего в глубокий подвал знаменитой Потсдамской обсерватории. Кроме того, в первомварианте интерферометра, где использовалась одна пара зеркал, оптическая длинапути световых лучей была слишком малой, вследствие чего ожидаемый эффектоказывался на грани точности измерений. К тому же в первой публикации,посвященной поиску «эфирного ветра», Майкельсон сделал одну довольноэлементарную теоретическую ошибку...
При проведении опытов в США все эти обстоятельствабыли учтены, что резко повысило точность и достоверность результатов. Именнопоэтому выводы Майкельсона и Морли остались незыблемыми и после множестваповторений опыта, проведенных с конца XIX в. до наших дней.
III. Оботносительном движении Земли и светоносного эфира
За открытием аберрации света вскоре последовало ееобъяснение на основе эмиссионной теории. Эффект приписывался простому сложениюскорости света со скоростью Земли на орбите. Трудностей этого кажущегосяудовлетворительным объяснения не замечали до тех пор, пока не было предложенообъяснения на основе волновой теории света. Это новое объяснение было поначалустоль же простым, как и предыдущее. Но оно оказалось бессильным передэкспериментально доказанным фактом, что аберрация не меняется, когда проводятсянаблюдения с помощью телескопа, заполненного водой. Действительно, если тангенсугла аберрации равен отношению скорости Земли к скорости света, то, посколькупоследняя скорость в воде составляет три четвертых скорости света в вакууме,аберрация, наблюдаемая с помощью телескопа, заполненного водой, должнасоставлять четыре третьих ее истинного значения. (Можно отметить, чтобольшинство авторов считают удовлетворительным объяснение на основе эмиссионнойтеории света, хотя в действительности здесь трудностей даже больше, чем вслучае волновой теории. Согласно эмиссионной теории, скорость света в телескопес водой должна быть больше, а угол аберрации должен быть меньше; поэтому, чтобысвести его к истинному значению, мы должны принять абсурдную гипотезу, чтодвижение воды в телескопе переносит лучи света в обратном направлении!)
Согласно Френелю, в волновой теории эфир, во-первых,предполагается находящимся в покое, за исключением внутренности прозрачныхсред, в которых, во-вторых, он считается движущимся со скоростью, меньшейскорости среды в отношении (n2 – 1) / n2,где n – коэффициент преломления. Эти две гипотезы дают полное иудовлетворительное объяснение аберрации. Вторая гипотеза, несмотря на еекажущееся неправдоподобие, должна считаться полностью доказанной, во-первых,замечательным опытом Физо и, во-вторых, нашим собственным исследованием.Экспериментальная проверка первой гипотезы составляет цель настоящей работы.
Если бы Земля была прозрачным телом, то, учитываятолько что упомянутые эксперименты, вероятно, можно было бы допустить, чтомежмолекулярный эфир находится в пространстве в покое, несмотря на движениеЗемли по орбите; но мы не имеем права распространять выводы из этихэкспериментов на непрозрачные тела. Однако вряд ли можно сомневаться, что эфирможет проходить и действительно проходит через металлы. Лоренц приводит вкачестве иллюстрации трубку ртутного манометра. Когда трубка наклонена, эфир,находящийся в пространстве над ртутью, безусловно, выталкивается оттуда,поскольку он несжимаем. (Можно возразить, что он может выходить черезпространство между ртутью и стенками; но это можно предотвратить путем амальгамированиястенок.) Но опять-таки мы не имеем права предположить, что он выходитсовершенно свободно, и если бы существовало какое-то сопротивление, хотя ислабое, мы не могли бы, конечно, полагать, что непрозрачное тело, такое, какЗемля в целом, обеспечивает свободное прохождение эфира через всю эту массу.Но, как удачно отмечает Лоренц, «как бы то ни было, по моему мнению, в этомвопросе, также важном, лучше не позволять себе руководствоваться соображениями,основанными на правдоподобности или простоте той или иной гипотезы, аобращаться к опыту, чтобы научиться узнавать состояние покоя или движения, вкотором находится эфир на поверхности Земли.
В апреле 1881 г. был предложен и испытан методдля решения этого вопроса.
При выводе формулы для измеряемой величины тогда былоупущено из виду влияние движения Земли через эфир на путь луча,перпендикулярного этому движению. (Здесь можно отметить, что ошибка былауказана автору последней работы А. Потье (Париж) зимой 1881 г.)Обсуждение этого упущения и всего эксперимента составляет предмет оченьглубокого анализа Г.А. Лоренца, который выяснил, что данным эффектом ни вкоем случае нельзя пренебрегать. Как следствие, в действительности величина,которая должна быть измерена, составляет только половину предполагавшейсявеличины, и, поскольку последняя уже была едва за пределами ошибокэксперимента, выводы, сделанные из результатов опыта, могли вполне основательноподвергаться сомнению. Однако, поскольку основная часть теории сомнению неподлежит, было решено повторить эксперимент с такими изменениями, которыедавали бы уверенность в том, что теоретический результат достаточно велик,чтобы не быть скрытым экспериментальными погрешностями. Теория метода можетбыть кратко изложена следующим образом.
/>
Рис. 1.Схема интерферометра Майкельсона
Пусть sa (рис. 1а) – луч света, которыйчастично отражается по аb, а частично проходит по ас ивозвращается зеркалами b и c по ba и ca. Луч baчастично 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 внаправлении sc со скоростью движения Земли по орбите. Направления ирасстояния, проходимые лучами, изменяются так. Луч sa отражается по аb(рис. 1б), причем угол bab1 равен углу аберрации α,возвращается по ba1 (aba1 = 2α) θпопадает в фокус зрительной трубы, направление которой не меняется. Пропущенныйлуч идет по ас, возвращается по са и отражается в а1,образуя угол са1е. равный 90° – α, и поэтомувсе-таки совпадает с первым лучом. Можно отметить, что теперь лучи ba1и са1 не встречаются в точности в одной и той же точке а1,хотя разность составляет величину второго порядка малости; это не влияет насправедливость рассуждений. Пусть теперь требуется найти разность двух путейсвета аbа1 и аса1.
Пусть V – скорость света; v – скоростьдвижения Земли по орбите; D – расстояние аb или ас; Т– время, которое требуется свету для прохождения от а до с, Т1– время, необходимое свету для возвращения от c к а1(рис. 1а).
Тогда Т = D / (V – v), Т1= D / (V + v).
Полное время движения туда и обратно равно
T + T1= 2D · V / (V2 – v2),
ирасстояние, пройденное за это время, равно
2D · V2 / (V2– v2) ≈ 2D · (1 + v2/V2),
еслипренебречь членами четвертого порядка.
Длина другого пути, очевидно, равна
/>
или с той же точностью 2D · (1 + v2 / V2).
Поэтому разность равна D · v2/V2.Если теперь повернуть весь прибор на 90°, то разность будет наблюдаться впротивоположном направлении; следовательно, смещение интерференционных полосдолжно быть 2D · v2/V2. Учитываятолько орбитальное движение Земли, это должно быть равно 2D ·10–8.Если, как было в первом эксперименте, D = 2·106длин волн желтого света, то ожидаемое смещение должно составлять 0,04расстояния между интерференционными полосами. В первом эксперименте одна изосновных встретившихся трудностей состояла в приведении прибора во вращение безсоздания искажений, другая же – его крайняя чувствительность к вибрациям. Онабыла столь велика, что при работе в городе, даже в два часа ночи, невозможнобыло наблюдать интерференционные полосы, кроме как в течение коротких промежутковвремени. В итоге, как уже отмечалось, величина, которая должна быланаблюдаться, а именно смещение, несколько меньшее, чем одна двадцатая частьрасстояния между интерференционными полосами, могла быть слишком малой, чтобыбыть зарегистрированной, когда она маскируется погрешностями эксперимента.
Первая из названных трудностей была полностьюустранена путем установки прибора на массивный камень, плавающий в ртути;вторая же была преодолена посредством увеличения пути света вследствиеповторных отражений до величины, почти в десять раз превосходившейпервоначальную.
/>
Рис. 2.Внешний вид интерферометра
Вид прибора показан на рис. 2, его вертикальное сечение– на рис. 3, а ход лучей в нем – на рис. 4. Камень а(рис. 4) имел площадь около 1,5 х 1,5 м и толщину0,3 м. Он покоился на кольцеобразном деревянном поплавке bb свнешним диаметром 1,5 м, внутренним диаметром 0,7 м и толщиной0,25 м. Поплавок располагался на ртути, содержавшейся в чугунном лотке ccтолщиной 1,5 см и таких размеров, что вокруг поплавка в нем оставалосьсвободное пространство около сантиметра.
/>
Рис. 3.Разрез опоры интерферометра
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 изнего. Эта шпилька делает поплавок соосным с лотком, но не несет ни малейшейчасти веса камня. Кольцеобразный чугунный лоток опирается на цементнуюподложку, лежащую на низком кирпичном основании, выложенном в форме пологовосьмиугольника.
В каждом углу камня помещалось по четыре зеркала ddee(рис. 3). Вблизи центра камня находилась плоскопараллельная стекляннаяпластинка b. Все это было расположено так, что свет от горелки Аргана5а, проходя через линзу, падал на b таким образом, чтобы частичноотражаться к d1. Два пучка, показанные на рисунке, проходилипути bdedbf и bd1e1d1bfсоответственно и наблюдались в зрительную трубу f. И труба f, игорелка а вращались вместе с камнем. Зеркала были сделаны из зеркальной бронзыи тщательно обработаны до получения оптически плоских поверхностей 5 см вдиаметре: стекла b и с были плоскопараллельными, одинаковойтолщины 1,25 см; их поверхности имели размеры 5,0 х 7,5 см.Второе стекло ставилось на пути одного из пучков, чтобы скомпенсироватьпрохождение второго пучка через стекло той же толщины. Вся оптическая частьприбора содержалась под деревянным кожухом для предотвращения воздушных потокови быстрых изменений температуры.
/>
Рис. 4.Ход лучей в интерферометре
Настройка проводилась так. С помощью винтов вотливках, удерживавших зеркала, к которым последние прижимались пружинами,зеркала устанавливались так, чтобы свет обоих пучков мог быть виден взрительную трубу. Посредством легкого деревянного стержня, достававшего подиагонали от зеркала до зеркала, измерялись длины двух путей, причем расстоянияотсчитывались по маленькой стальной шкале с точностью до десятых долеймиллиметра. Затем разность длин двух путей ликвидировалась путем передвижениязеркала е1. Это зеркало имело три регулировки; имелисьрегулировки по высоте и азимуту, как и у других зеркал, но только более тонкие,а также регулировка в направлении падающего пучка, благодаря ему оно скользиловзад и вперед, оставаясь, однако, с высокой точностью параллельным своейначальной плоскости. Все три регулировки могли производиться при закрытомдеревянном кожухе.
Поскольку теперь пути были приближенно равны, дваизображения источника света или какого-либо другого хорошо очерченного предметасводились вместе и зрительная труба оказывалась настроенной на отчетливоенаблюдение ожидаемых интерференционных полос. Когда они появлялись, белый светзаменялся на свет натрия. Путем регулировки зеркала е1 полосыделались настолько отчетливыми, насколько это было возможно; затем возвращалсябелый свет, а винт, меняющий длину пути, приводился в очень медленное вращение(один оборот винта с сотней шагов резьбы на один дюйм менял путь примерно на1000 длин волны) до тех пор, пока окрашенные интерференционные полосы непокажутся вновь в белом свете. Это давало удобную ширину и положение полос, итеперь прибор был готов для наблюдений.
Наблюдения проводились следующим образом. Вокругчугунного лотка имелось шестнадцать эквидистантных отметок. Прибор приводился вочень медленное вращение (один оборот за шесть минут), и через несколько минутв момент прохождения одной из отметок пересечение нитей микрометра наводилосьна самую яркую интерференционную полосу. Вращение происходило столь медленно,что это можно было сделать легко и точно. Отмечалось показание головки винтамикрометра и делался очень легкий и плавный толчок для поддержания движениякамня. При прохождении следующей отметки процедура повторялась, и все этопродолжалось до тех пор, пока прибор не завершал шесть оборотов. Былообнаружено, что при поддержании прибора в состоянии медленного равномерногодвижения результаты оказывались гораздо более однородными и согласующимисямежду собой, чем когда камень останавливался для каждого наблюдения, посколькуэффекты деформаций могли быть заметными по крайней мере в течение полуминутыпосле того, как камень остановился, а за это время вступали в действие эффектыизменения температуры.