Эфирный ветер: Математика волновой теории была разработана Огюстеном Френелем (1788-1827). Он принял побочное предположение о том, что если свет проходит через среду, которая сама по себе движется в противоположном направлении, то возникнет определенный эффект “ветра”: видимое движение света будет уменьшено. Эта гипотеза каким-то образом была связана с открытием Дж. Допплера (1803-1853), сделанным в 1842 году. Если источник света движется по отношению к наблюдателю, то возникает изменение в воспринимаемой частоте (цвете). Подобное явление имеет место в волновых процессах разной природы, например, в форме изменения высоты звука в гудке поезда или в сирене.
Астрономическая аберрация: Звезды находятся не совсем там, где они видны. Эта “астрономическая аберрация” объяснялась различными способами. Френель получил одно объяснение, исходя из теории эфирного ветра. В 1845 году Дж. Г. Стокс выдвинул противоположную идею о том, что движущиеся тела увлекают за собой эфир. “Я предполагаю, что Земля и другие планеты увлекают за собой некоторое количество эфира, так что эфир, близкий к их поверхностям, находится в состоянии покоя относительно этих поверхностей, но его скорость меняется по мере того, как мы отдаляемся от поверхности, до тех пор, пока, на не очень большом отдалении от нее, она становится нулевой”.
Электромагнетизм: Джеймс Клерк Максвелл блестяще объединил теорию света с теорией электромагнетизма. Он не испытывал большого энтузиазма по поводу идеи эфира, но сделал заключение, что “какие бы трудности мы не испытывали при выработке непротиворечивого представления о строении эфира, нет сомнения в том, что межпланетное и межзвездное пространство не пусты, но заняты некоторой материальной субстанцией или телом...” Одна из проблем заключалась в том, что ни одна модель эфира, основанная на представлении об упругом твердом теле, не работала, то есть не объясняла известные законы отражения и двойного преломления.
Беспроволочные волны: В 1873 году Максвелл предсказывал существование невидимых электромагнитных волн, напоминающих световые волны. Г. Р. Герц (1857-1894) подтвердил эту гипотезу, обнаружив радиоволны. Герц несколько сомневался относительно существования эфира, но его великий учитель Гельмгольц писал в 1894 году после смерти Герца: “Этими исследованиями Герц обогатил физику новыми и очень интересными взглядами на естественные явления. Не может быть больше сомнений относительно того, что световые волны состоят из электрических колебаний во всепроникающем эфире и что этот эфир обладает свойствами изолятора и магнитной среды”.
Эксперимент
Вот самое короткое из возможных резюме по поводу того времени, когда Майкельсон начал серию своих знаменитых экспериментов. Моя цель состоит в том, чтобы противопоставить описания Лакатоша тем, которые были даны экспериментатором. В 1878 году Максвелл написал статью, которая позже появилась под названием “Эфир” в девятом издании Британской Энциклопедии. Он предложил идею эксперимента Майкельсона, в то же время считая, что нет надежды осуществить этот эксперимент.
“Если бы было возможным определить скорость света замеряя время, которое он проходит между двумя пунктами на поверхности Земли, мы могли бы, сравнивая наблюдаемые скорости в противоположных направлениях, определить скорость эфира по отношению к этим наземным пунктам. Однако все методы, с помощью которых можно было бы определить скорость света исходя из наземных экспериментов зависят от измерения времени, которое потребовалось бы свету для пути от одного пункта до другого и обратно. Увеличение этого времени за счет относительной скорости эфира, равной скорости движения Земли по своей орбите, составило бы лишь одну стомиллионную долю всей скорости пересылки и тем самым было бы совершенно неощутимым”.
Идея эксперимента
“Все методы, – говорит Максвелл, – потерпят неудачу”. Но это не так. Майкельсон понял, что мы должны расщепить луч света зеркалом, посеребренным наполовину, и послать половину лучей в направлении движения Земли, а другую под прямыми углами к этому направлению. Когда они вернутся, можно посмотреть, будет ли наблюдаться интерференция по причине фазового сдвига, вызванного тем, что свет прошел в двух направлениях. Почти никто не верил в исход эксперимента, и у самого Майкельсона был ряд трудностей. Например, движение лошадей за стенами здания полностью выводило установку из строя, вызывая колебания здания, которые были бы незаметны в обычных условиях. В конце концов Майкельсон провел свой опыт вне города, погрузив всю установку в сосуд с ртутью, чтобы устранить “шум”. Этот путь типичен для экспериментатора, который хочет избавиться от нежелательных явлений.
Эксперимент по проверке теории:
Лакатош пишет: “Майкельсон первым разработал эксперимент для проверки противоречащих друг другу теории Френеля и Стокса о влиянии движения Земли на эфир”.
Это неправда. Как экспериментатор Майкельсон хотел сделать то, что Максвелл считал невозможным, а именно измерить скорость движения Земли по отношению к эфиру, независимо от какой-либо теории. Он говорит именно это в письме к Саймону Ньюкомбу, написанном 22-го ноября 1880 года в Берлине. Майкельсон учился в Париже под руководством ученика Физо и был готов начать свои собственные опыты. В письме к руководителю, Александру Грэхему Беллу, от 18 апреля 1881 года Майкельсон писал: “Эксперименты, касающиеся движения Земли относительно эфира, успешно завершены. Результат оказался отрицательным”.
Отрицательный результат: результат был и в самом деле отрицательным. Положительный результат вызвал бы сенсацию, поскольку при этом было бы определено абсолютное движение Земли через пространство. Если бы природа согласилась, это осталось бы в истории триумфом многовекового теоретизирования. Мы бы знали, что пространство абсолютно, и знали бы абсолютную скорость, с которой Земля перемещается через пространство.
Результат эксперимента. Лакатош пишет: “Майкельсон заявил, что его эксперимент 1881 года был критическим экспериментом [он дал возможность выбрать между объяснениями аберрации Френеля и Стокса – Я. Х.] и что он доказал теорию Стокса”. Майкельсон ничего такого не утверждал. Он писал: “Интерпретация этих результатов состоит в том, что смещения интерференционных полос не наблюдается. Таким образом, доказано, что следствие гипотезы о стационарности эфира неверно, и сама гипотеза с необходимостью оказывается неверной”. Он не заявлял, что доказал правоту Стокса, но лишь пытался доказать, что Френель был неправ.
Аберрация: Майкельсон продолжает, заявляя, что результат “напрямую противоречит общепринятому объяснению явления аберрации”, то есть объяснению Френеля. В конце он говорит, что “было бы уместным привести выдержку” из статьи Стокса. Стокс говорил, что, видимо, нет “результата, сравнимого с экспериментом и который мог бы противоречить принятой нами теории” (то есть Стокса или Френеля). Стокс говорит, что “было бы хорошо иметь возможность поставить две эти теории перед проверкой с помощью какого-либо решающего эксперимента”. Майкельсон цитирует Стокса без всякого комментария. Он не “говорит окольным путем” – по выражению Лакатоша – о том, что он доказал правоту Стокса. Он не называет свой эксперимент решающим. То, что он подразумевает, составляет триумф экспериментатора по отношению к теоретику: теперь я могу определить то, что было до сих пор недоступно вам.
Эксперимент 1886 года: Майкельсон объединился с Морли для того, чтобы переделать эксперимент Физо 1852 года, в котором свет пропускался через струящуюся воду в направлении, противоположном движению воды. Морли должен был участвовать как химик, способный выдувать стекло, необходимое для тонких стеклянных сосудов, по которым должна была течь вода. Они сделали вывод, что Физо был, в основном, прав, хотя они некоторым образом и переинтерпретировали теорию Френеля. В заключение они писали: “Итогом этой работы является то, что результат, заявленный Физо, в основном, правилен и что на светоносный эфир совершенно не действует движение того вещества, которое пронизано эфиром”. Я думаю, что Лакатош вовсе не упоминает этого эксперимента.
Появляется теория: Г. Лоренц, один из великих теоретиков конца девятнадцатого – начала двадцатого столетия, страстно интересовался проблемами эфира. Лакатош некоторым образом преувеличивает, когда пишет следующее:
“Как это часто случается, экспериментатор Майкельсон получил урок от теоретика. Лоренц, ведущий теоретический физик, показал, что вычисления Майкельсона были неправильными, теория Френеля предсказывала только половину эффекта, подсчитанного Майкельсоном. Конечно, когда французский физик Потье указал Майкельсону на ошибку, сделанную в 1881 году, тот решил не публиковать исправления.”
Это не так. Майкельсон опубликовал заметку по-французски в Comptes Rendue №94 (1882), p. 520. В этой заметке содержалась ссылка на Потье.
Эксперимент 1887 года: это самый известный эксперимент Майкельсона-Морли. Лакатош говорит о “письме от Рэлея, который привлек внимание к статьям Лоренца. Это письмо послужило причиной проведения эксперимента 1887 года”. Это неверно. Письмо было написано в начале 1887 года, а эксперимент был проведен в июле 1887 года. Можно понять, почему Лакатош делает свой поспешный вывод. Но на самом деле эксперимент был запланирован на 1886 год и тогда же полностью профинансирован. Работы были начаты в октябре, но скрупулезная подготовка была сведена на нет пожаром 27 октября 1886 года, и тем самым реализация эксперимента была надолго отложена. Так что эксперимент начался задолго до пресловутого письма Рэлея. (Хотя, конечно, эксперимент мог быть инициирован лекциями Кельвина, которые он прочел в Балтиморе годом раньше).