§ 14. ОПЫТ МАЙКЕЛЬСОНА И МОРЛИ

За двадцать лет до начала этого периода, однако, фундамент всего построения уже дал трещину, и, хотя наверху строительство продолжалось, основы уже нуждались в ремонте и укреплении.

Мы уже несколько раз подчеркивали, что всякий решающий эксперимент, ставящий целью подтверждение теории неподвижного эфира, должен быть достаточно точным, чтобы учесть величины второго порядка по Лишь в этом случае можно достичь уверенности в вопросе о том, действительно ли всякое быстро движущееся тело встречает некий эфирный ветер, сдувающий с него световые волны, как требует того теория.

Майкельсон и Морли (1881 г.) впервые успешно осуществили важнейший эксперимент такого рода. Они пользовались интерферометром Майкельсона (гл. IV, § 4, стр. 102), который им удалось усовершенствовать до состояния точного прибора колоссальных возможностей.

При исследовании влияния движения Земли на скорость света (гл. IV, § 9, стр. 129) было обнаружено, что время, необходимое световому лучу для прохождения расстояния параллельно движению Земли туда и обратно, отличается лишь на величину второго порядка от значения, которое это время имело бы, если бы Земля покоилась. Мы установили раньше, что это время составляет

его можно записать и иначе:

Если бы его можно было настолько точно измерить, что долю

удалось бы отличить от 1, несмотря на чрезвычайно малое значение величины то мы получили бы средство обнаружения эфирного ветра.

Однако, вне всякого сомнения, невозможно измерить короткий интервал времени, который затрачивает свет для того, чтобы пересечь определенное расстояние. Интерферометрические методы дают просто разности времен, затрачиваемых светом на прохождение различных, не равных друг другу расстояний между двумя заданными точками. Но зато эти разности они дают с поразительной точностью.

Фиг. 109. Путь луча света в опыте Майкельсона.

Поэтому Майкельсон и Морли заставляли второй луч проходить расстояние равное одной и той же величине I, вперед и назад, но в обоих случаях по перпендикуляру к направлению движения Земли по орбите (фиг. 109). Когда свет движется от А до В, Земля проходит короткое расстояние вперед, так что точка В перемещается в точку В в эфире. Таким образом, истинное расстояние, пройденное светом в эфире, равно если свету потребовалось время для того, чтобы покрыть это расстояние, то За то же время точка А перемещается в положение А со скоростью и; следовательно, Применяя теперь теорему Пифагора к прямоугольному треугольнику мы получаем

или

На обратный путь свету требуется то же время, поскольку Земля смещается на аналогичный отрезок так, что исходная точка светового луча А перемещается из положения

Таким образом, на путь туда и обратно свет затрачивает время

Разность времен, затрачиваемых светом на прохождение параллельного и перпендикулярного направлению движения Земли расстояний, составляет

Далее, пренебрегая членами более высокого порядка по (аналогично тому, как это было сделано на стр. 125), мы можем аппроксимировать) полученное выражение, заменяя

Следовательно, с достаточной степенью точности можно записать

Итак, запаздывание одной световой волны по сравнению с другой представляет собой величину второго порядка.

Это запаздывание можно измерить с помощью интерферометра Майкельсона (фиг. 110). В этом приборе свет, идущий от

источника разделяется полупрозрачным зеркалом на два луча, которые движутся по перпендикулярным друг другу направлениям к зеркалам! и отражаясь от которых они направляются обратно к зеркалу От полупрозрачного зеркала лучи идут параллельно к окуляру где наблюдается их интерференция. Если расстояния равны и если одно плечо прибора расположить в направлении движения Земли, то мы как раз получаем модель рассмотренного выше случая. Таким образом, два луча в интерферометре Майкельсона достигают плоскости зрения с разностью времен

Фиг. 110. Интерферометр Майкельсона.

Поэтому интерференционные полосы расположены не точно так, как они были бы расположены, если бы Земля покоилась. Однако если теперь повернуть весь прибор на 90° и совместить с направлением движения Земли второе плечо прибора, то интерференционные полосы должны сместиться на равную величину в противоположном направлении. Следовательно, наблюдая положение интерференционных полос при двух разных положениях прибора, можно измерить смещение, соответствующее удвоенному времени запаздывания

Если период колебаний используемой световой волны, то отношение времени запаздывания к периоду колебаний равно

откуда, используя формулу (35), согласно которой длина волны наше искомое соотношение можно записать как

Итак, при поворачивании прибора два интерферирующих пакета волн испытывают относительное смещение, отношение которого к длине волны равно (фиг. 111). Интерференционные полосы сами по себе возникают вследствие того, что лучи, покидающие источник в различных направлениях, должны

пройти пути различной длины. Расстояние между двумя интерференционными полосами соответствует разности путей в одну длину волны, поэтому наблюдаемое смещение полос составляет долю расстояния между двумя полосами, равную

Далее, Майкельсон, повторяя свой опыт с Морли (1887 г.) в более широком масштабе, увеличил длину пути, проходимого светом, до с помощью нескольких последовательных отражений. Длина волны используемого света была равна примерно см. Как мы знаем, приближенно равно следовательно, Поэтому мы получаем

при повороте прибора на 90° интерференционные полосы должны смещаться более чем на расстояния между ними. Майкельсон был уверен, что его прибор позволяет измерить даже 1/100 этого смещения.

Однако, когда опыт был осуществлен, выяснилось, что невозможно обнаружить даже ничтожного следа ожидаемого смещения, а последующие повторения этого опыта с помощью более тонких средств наблюдения не дали ничего нового. Отсюда мы должны заключить, что эфирный ветер не существует. Скорость света не испытывает влияния движения Земли даже во втором порядке по

Фиг. 111. Две волны с одинаковой длиной волны смещенные одна относительно другой на