Однако физические теории никогда не бывают окончательными. Теория Френеля спокойно просуществовала еще около двадцати лет, после чего начались всякие неприятности.
Неподвижен ли эфир илиже он увлекается при движении тел?
Гипотеза упругих колебаний эфира сразу ставила проблему: неподвижен эфир или же движется? В частности, движется ли эфир, сконцентрированный в теле, вместе с этим телом? Прекрасные опыты Араго доказали, что движение Земли не оказывает никакого ощутимого воздействия на преломление света, приходящего от звезд.
Этот результат был несовместим с корпускулярной теорией, поэтому Араго обратился к Френелю с вопросом, укладывается ли он в рамки волновой теории. В одном из своих писем 1817 г. Френель ответил, что этот результат легко объясняется волновой теорией, как и явление аберрации, если только принять частичное увлечение эфира, т. е. принять, что движущееся тело увлекает с собой не весь содержащийся в нем эфир, а лишь избыточную часть эфира по сравнению с равным объемом пустого пространства. С помощью этой гипотезы Френелю удалось объяснить все явления, проистекающие из-за быстрого движения преломляющего тела.
Влияние движения тел, испускающих свет или звук, было исследовано теоретически в 1842 г. австрийским физиком Христианом Допплером (1803—1853), который показал, что при приближении источника света к наблюдателю период колебаний представляется наблюдателю меньшим, чем при неподвижном источнике, т. е. цвет излучения смещается в сторону ультрафиолета. Если же источник удаляется от наблюдателя, то цвет смещается в красную сторону спектра. Аналогично если источник звука приближается к наблюдателю, то звук воспринимается более высоким, а если удаляется — более низким; в этом явлении теперь легко убедиться, наблюдая изменение высоты звука гудка паровоза, проходящего мимо наблюдателя. В 1848 г. Физо предложил воспользоваться этим явлением, получившим название эффекта Допплера, или эффекта Допплера — Физо, для измерения радиальной составляющей скорости звезд по смещению их спектральных линий.
Уже сам Допплер заметил, что этот же метод можно применить для измерения скоростей двойных звезд; однако это измерение никому не удавалось провести, в том числе и Максвеллу. Применение допплеровского метода в астрофизике стало возможным лишь после появления в 1860 г. призмы прямого зрения, которую предложил астроном Джован Баттиста Амичи (1786—1863), известный конструктор оптических инструментов большой точности. Помимо этой призмы, как известно из учебников физики, он ввел в употребление еще другую призму (полного внутреннего отражения), названную в его честь, усовершенствовал микроскоп и предложил идею иммерсионного микроскопа. Призма прямого зрения Амичи состоит из призмы из флинтгласа, расположенной между двумя призмами из кронгласа; она дает спектр в направлении падающего луча.
В 1869 г. Фридриху Цолльнеру (1834—1882) пришла в голову счастливая идея применить пару противоположно расположенных призм прямого зрения Амичи, чтобы получить два противоположных спектра. Таким образом был создан так называемый реверсионный спектроскоп, который позволял уже использовать эффект Допплера. С этого момента значение эффекта Допплера в астрофизике чрезвычайно возросло.
Эффект Допплера тоже как будто подтверждал идею Френеля о частичном увлечении эфира; тем не менее, эту гипотезу оспаривал Джордж Габриэль Стоке (1819 —1903), один из наиболее блестящих продолжателей дела Френеля, известный прежде всего открытием в 1852 г. явления флюоресценции и закона, определяющего флюоресценцию, который и сейчас называется "законом Стокса". В известной работе, относящейся к 1845 г., Стоке отстаивает идею о полном увлечении эфира, находящегося в непосредственной близости от Земли, которое переходит постепенно в частичное увлечение, все более уменьшающееся по мере удаления от Земли.
В 1851 г. Физо пытался решить этот вопрос, заставив интерферировать два луча света, один из которых проходил столб воды в направлении ее течения, а второй — против течения. Если эфир увлекается при движении воды, то интерференционные полосы должны сместиться по отношению к тому положению, которое они занимают в опыте с неподвижной водой. Экспериментальные результаты, полученные Физо, подтвердили гипотезу Френеля. К тому же выводу привели исследования Эдуарда Кеттелера (1836 —1900), проведенные в 1871 г., и исследования Майкельсона и Морли в 1886 г.
Но еще пятью годами раньше Майкельсон в своем ставшем впоследствии знаменитом опыте пытался экспериментально обнаружить движение Земли относительно эфира, принимаемого за неподвижный, т. е. обнаружить так называемый "эфирный ветер".
Примененный Майкельсоном метод можно назвать "методом двух путей": один луч света, падая на слегка посеребренную пластину, расщеплялся на два взаимно перпендикулярных луча; эти лучи отражались по нормали от двух зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластины, возвращались обратно по тому же пути, сливались вместе и направлялись в оптическую систему. Если Земля движется относительно эфира, то из-за различия времен, требуемых для прохождения обоими лучами своих взаимно перпендикулярных путей, должна наблюдаться интерференционная картина. Хотя линейная скорость обращения Земли вокруг Солнца (30 км/сек) довольно мала по сравнению со скоростью света, экспериментальная установка была способна обнаружить даже в 100 раз меньший эффект. Этот опыт, многократно повторенный для различной ориентации прибора и в разное время года, давал у Майкельсона все время чисто отрицательный результат. Критика этого опыта со стороны Лоренца привела к тому, что Майкельсон вновь повторил его в 1887 г. вместе с Эдуардом Уильямом Морли (1838—1923) — и с тем же результатом. Таким образом, Майкельсон мог утверждать, что, согласно его опытам, эфир движется вместе с Землей. Однако явление аберрации света указывает на то, что эфир неподвижен. Эти два вывода резко противоположны один другому. Далее мы увидим, как это противоречие привело к появлению теории относительности.
Опыты Майкельсона были повторены с некоторыми усовершенствованиями Морли и Миллером в 1904 г. с тем же результатом. Позже, с 1921 по 1925 г., Миллер производил непрерывные наблюдения, которые привели его к выводу, что Земля движется по отношению к эфиру со скоростью 9 км/час. Однако этот вывод был опровергнут последующими опытами Джозефа Кеннеди и многими другими, вплоть до нового опыта Майкельсона, проведенного совместно с Пизом и Пирсоном в 1929 г.
Невидимые излучения
В первое тридцатилетие XIX века исследования поляризации и природы света оттеснили на второй план другие важные открытия в области световых явлений.
Тот факт, что световые лучи связаны с тепловыми лучами, ясный из непосредственного наблюдения, был известен, конечно, еще со времен античности. Само применение слова "фокус" к вогнутым зеркалам и к линзам показывает, что здесь внимание обращалось больше на концентрацию тепловых лучей, а не световых. Но различение световых и тепловых лучей мы встречаем впервые, по-видимому, в "Magia naturalise ("Натуральная магия") Порты (1589 г.), где выражается удивление, почему вогнутое зеркало концентрирует не только тепло, но и холод. Это наблюдение было предметом тщательного экспериментального исследования Академии опытов, причем было замечено ощутимое охлаждение в фокусе вогнутого зеркала, перед которым помещен большой кусок льда. А Паоло дель Буоно (1625 — 1659), корреспондент этой же Академии, заметил, что лучи, проходящие через линзу изо льда, фактически не теряют своей тепловой способности. Еще более ясно различие между световыми и тепловыми лучами выявил Мариотт, который с помощью вогнутого зеркала изо льда показал, что тепловые лучи отражаются от него без ослабления, так что в фокусе удается создать интенсивность, достаточную для того, чтобы воспламенить порох. В 1777 г. Ламберт показал, что тепловые лучи, как и световые, распространяются прямолинейно.
В 1800 г. Вильгельм Гершель произвел фундаментальное открытие. Желая проверить, действительно ли тепло, как принято было считать, распределено равномерно по солнечному спектру, Гершель перемещал чувствительный термометр вдоль солнечного спектра и обнаружил, что показываемая им температура не только непрерывно повышалась при перемещении от ультрафиолетового конца спектра к красному, но ее максимум вообще достигался в области, лежащей за красной частью спектра, т. е. там, где глаз ничего не различает. Вот пример того, насколько "в естествознании полезно сомневаться в общепринятых вещах",— замечает по этому поводу Гершель. Он тут же объясняет это явление невидимым тепловым излучением, исходящим из Солнца и отклоняемым призмой слабее красного цвета, почему оно и получило название "инфракрасного излучения". Затем Гершель исследовал это невидимое излучение, испускаемое земным источником, представлявшим собой железный цилиндр, нагретый, но не светящийся, и показал преломление этого излучения в линзах.
Юнг понимал важность открытия Гершеля и в своих лекциях в 1807 г. назвал его самым крупным открытием со времен Ньютона. Правда, Джон Лесли (1766—1832), весьма аккуратный экспериментатор, пытался объяснить опыты Гершеля воздушными течениями, однако его теоретические возражения не нашли сторонников. Более удачными были его экспериментальные исследования (1804 г.), и сейчас еще приводимые в курсах физики. С помощью дифференциального термометра, носящего его имя, но описанного еще в 1685 г. Иоганном Христофором Штурмом (1635—1703), и с помощью своего "куба", одни грани которого были зачерненными, а другие зеркальными, Лесли показал, что испускание и поглощение телом теплового излучения зависят от характера его поверхности.