Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
«Судя по всему, – писала газета «Нью-Йорк Таймс» весной 1879 года, – научный мир Америки украсится новым сияющим именем».
Имя ученого было Альберт Авраам Майкельсон. Это предсказание, сделанное, когда ему было двадцать семь лет, оказалось верным. Майкельсон стал первым американцем, удостоенным Нобелевской премии по физике.
Из всех противоречивых качеств Майкельсона главным было его изящество: изящество метода исследования, изящество интеллектуального анализа физических проблем, изящество описания и элегантная внешность. В 1894 году Майкельсон принимал в Чикаго группу ученых, приехавших на церемонию закладки лаборатории Райерсона в Чикагском университете. Вот как он в то время выглядел: «Его черные как смоль волосы, красивые карие глаза, безупречный костюм, элегантные и преисполненные достоинства манеры оставляли неизгладимое впечатление».
Его другим важным качеством была ошеломляющая честность относительно собственных и чужих целей. Однажды кто-то спросил у ассистентов Майкельсона, правильны ли некоторые критические отзывы, распространяемые об ученом. Сотрудники ответили: «Спросите его самого. Он скажет вам правду». Человек последовал этому совету и вышел от Майкельсона в крайней растерянности: «Он и в самом деле сказал мне всю правду!»
Майкельсон часто улыбался, обладал большим личным обаянием и был крайне своеобразен. Он точно знал, чего хотел, и достигал своего. Ничто не отвлекало его от цели, независимо от того, кем или чем ему приходилось жертвовать. Он знал все, что только можно было знать в интересующих его областях, и честно признавал свое полное невежество во всем остальном. Он был щедр на похвалы, если что-то вызывало его восторг, и безжалостен в критике небрежной работы или претенциозных идей.
Для большинства близких друзей он был «как море в летний день – безмятежным, безграничным, непостижимым». В то же время, несмотря на безмятежность, он был человеком сильных порывов и глубоких страстей.
Его послали учиться в Сан-Франциско. Он жил в доме у директора средней школы, преподававшего естественные науки. Майкельсон полюбил научные приборы и зарабатывал три доллара в месяц, присматривая за оборудованием школьной лаборатории.
Он знал, что выберет научную карьеру. Мать хотела, чтобы он стал врачом, но отец предложил Аннаполис (Аннаполис – военно-морское училище в США), и, таким образом, мальчугану с блестящими глазами нужно было держать экзамены, чтобы получить так называемое «назначение конгресса». Он сдавал экзамены вместе с другим юношей, имевшим большие политические связи, и потерпел неудачу.
Но Майкельсон так утвердился в желании стать мичманом, что, ни с кем не посоветовавшись, отправился в Вашингтон, чтобы повидать президента Гранта. Президент, имевший право распределить десять мест в Аннаполисе по своему усмотрению, уже все их раздал. Помощник Гранта по военно-морским делам предложил юноше все-таки поехать в Аннаполис на случай, если кто-нибудь из десяти провалится на вступительных экзаменах. Три дня Майкельсон сидел в кабинете начальника училища, но никто из поступавших не провалился. Тогда Майкельсон объявил, что он снова поедет в Вашингтон для вторичной встречи с президентом, но Грант опередил его – было введено одно дополнительное место, словно специально для того, чтобы Майкельсон мог стать мичманом.
После окончания академии в 1873 году младший лейтенант Майкельсон был назначен преподавателем физики и химии. Во время преподавательской работы в Аннаполисе он поставил эксперимент, принесший ему мировую известность: измерил скорость света с точностью, не виданной ранее, пользуясь приборами, обошедшимися немногим дороже десяти долларов.
На следующий год он женился на Маргарет М. Хэминуей и вскоре после этого отправился изучать оптику во Францию. Там он сделал первые чертежи прибора, с помощью которого впоследствии получил результаты, приведшие к созданию Эйнштейном теории относительности.
В 1870-е годы полагали, что уже все физические законы природы открыты и описаны. Физикам будущего ничего не оставалось, кроме дальнейшего уточнения измерений. Майкельсон принял на веру тезис лорда Кельвина о «маловероятности будущих открытий в результате каких-либо исследований, кроме измерений, связанных с шестым знаком десятичных дробей». Именно с помощью таких измерений Майкельсон доказал, что существовавшие теории материи не соответствуют истине. Ответы на все коренные вопросы были неверны.
В 1892 году Майкельсон в числе других американских ученых был приглашен в недавно открытый Чикагский университет руководить научной работой аспирантов. Слава Майкельсона привлекла множество аспирантов, но он обнаружил, что по натуре он – одинокий волк. Он ни с кем не мог делить ни своей работы, ни своего времени. Только после того, как он взял к себе в ассистенты Роберта Милликена, началась широкая исследовательская работа аспирантов. Милликен приехал в Чикаго в 1905 году. В письме, написанном в то время, он рассказывал о том, как однажды Майкельсон позвал его и сказал:
«Если вы как-нибудь сумеете справиться со всеми делами, связанными с диссертациями, то я не стану больше отвлекаться и терять свое время. Всякий раз, когда я отдаю аспирантам какую-нибудь проблему, они либо все портят, потому что не могут работать так, как мне хотелось бы, а прогнать их и делать все самому нельзя; либо, наоборот, добиваются неплохих результатов и тут же начинают считать проблему своей, в то время как она моя. А ведь дело-то в том, что знать, какая проблема достойна наступления, гораздо важнее просто добросовестной работы над любой проблемой. Так что я предпочитаю больше не иметь дела с диссертациями. Я найму себе ассистента, буду ему платить помесячно. Этот человек не станет думать, что я ему должен нечто большее, чем ежемесячный чек. Если вы займетесь аспирантами и поступите с ними, как сочтете нужным, я буду вашим должником навеки».
С тех пор Майкельсон отдавал все свое время только исследовательской работе и лишь иногда читал лекции студентам. Он не участвовал в руководстве факультетом, не ходил на собрания преподавателей, а работал в лаборатории со своими личными помощниками, выполняя ежедневно очень насыщенную программу. Ровно в четыре работа кончалась, и Майкельсон отправлялся в клуб «Четырехугольник» поиграть в теннис или на биллиарде. Физически он был развит прекрасно. Говорили, что гораздо почетнее проиграть ему, нежели выиграть у другого соперника. Он хорошо играл на скрипке и рисовал.
Вероятно, лучше всего о нем можно судить по той теме, которую он выбрал для первого исследования, ибо немногие начинания столь же отчаянны и смелы по замыслу, как попытка измерить скорость света. В течение тысячелетий люди думали, что свет распространяется мгновенно. Задолго до появления концепции фотосинтеза свет был синонимом жизни, и символом света было солнце.
В XVII веке попытка измерить скорость света увенчалась успехом. Молодой датчанин Ремер заметил, что тень одной из лун Юпитера периодически появлялась на поверхности планеты на 16 минут 36 секунд раньше, чем при наблюдении в другое время года. Ремер решил, что причиной разницы во времени является то обстоятельство, что один раз в году Земля находится на кратчайшем расстоянии от Юпитера, а через шесть месяцев – в максимальном удалении. Ремер полагал, что разница в несколько минут равна времени, в течение которого свет пересекает земную орбиту. Разделив это расстояние на 16 минут 36 секунд, он получил 186 тысяч миль в секунду.
Только через сто семьдесят три года, в 1849 году, стало возможным измерение скорости света, проходящего между двумя точками на поверхности Земли. Выбрали расстояние в 10 миль. Французский ученый Физо поставил эксперимент, посылая импульсы света на удаленное зеркало и измерял время, требующееся на возвращение луча. Свет разбивался на импульсы следующим образом. Луч проходил сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. При достаточно быстром вращении диска импульс света доходил до зеркала и возвращался обратно как раз за то время, в течение которого диск поворачивался на небольшой угол – на ширину одного промежутка между выступами. На диске Физо было 720 выступов, и он делал 25 оборотов в секунду. Зная расстояние от источника света до зеркала и обратно, Физо подсчитал скорость света и получил 194 тысячи миль в секунду.
Примерно через 20 лет, когда Майкельсон преподавал в Аннаполисе, проблема измерения скорости света приобрела новое значение. Сформулированная Максвеллом электромагнитная теория света, с одной стороны, утверждала, что скорость света должна быть меньше в воде, чем в воздухе. С другой стороны, из корпускулярной теории Ньютона следовало, что скорость света в воде больше, чем в воздухе. В 60-е и 70-е годы XIX века выяснение этого противоречия стало наиболее актуальным исследованием в физике. Науке необходим был способ точного измерения скорости света в любой среде.
Майкельсон говорил: «Тот факт, что скорость света непостижима для человеческого представления и, с другой стороны, существование принципиальной возможности ее измерения с чрезвычайной точностью, делают эту задачу одной из самых увлекательных проблем, когда-либо стоявших перед исследователем».
Знание скорости света было важно также для многих астрономических проблем навигации. Конгресс выделил средства известному американскому астроному Саймону Нью-комбу для работы над этой проблемой. В 1877 году юный младший лейтенант Майкельсон неожиданно придумал метод измерения скорости света с помощью простейшего аппарата. Результаты его работы были опубликованы в журнале «Америкэн Джорнэл оф Сайенс» шесть месяцев спустя, в мае 1878 года.
В то лето тесть Майкельсона дал ему 2 тысячи долларов на усовершенствование аппарата. Путь луча был увеличен более чем в 30 раз и доведен до 700 метров, смещение изображения равнялось 13,3 сантиметра вместо двух. Максвелл предсказывал, что скорость света должна равняться 300 тысячам километров в секунду. Результат Майкельсона составлял 299895 ± 30 километров в секунду. Он подтвердил предположение Максвелла с точностью до одной десятитысячной.
В течение всей своей жизни Майкельсон постоянно возвращался к этому измерению, пытаясь бесчисленными способами еще более уточнить результат. В 1926 году, когда ему было семьдесят четыре года, он применил систему, в которой луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио, то есть на 22 мили и обратно. Вращающееся зеркало было изготовлено с чрезвычайной точностью, и оно приводилось в движение специально разработанным устройством. Майкельсон подтвердил результат своих предыдущих измерений.
Два года спустя, в 1928 году, в возрасте семидесяти шести лет, Майкельсон получил средства для измерения скорости света в вакууме. Деньги на это ему дали обсерватория Маунт-Вильсон, Чикагский университет, фонд Рокфеллера и корпорация Карнеги. Ассистентами Майкельсона были Ф.Г. Пиз и Ф. Пирсон. Сотрудники Береговой геодезической службы Соединенных Штатов разметили и вымерили расстояние для громадного прибора на ранчо Эрвин. Вакуум предполагалось создать в трубе из гофрированного стального проката длиной почти в милю. Труба имела 3 фута в диаметре и доставлялась на место опыта 60-футовыми секциями.
Посредством многократного отражения свет должен был проходить расстояние в 8 миль, вымеренное с точностью до одной миллионной. Во всей системе создавалось разрежение, равное одной полуторатысячной части земной атмосферы. Выкачивание воздуха продолжалось 48 часов. Все время то одна, то другая часть выходила из строя, вакуум нарушался, и приходилось начинать снова.
Если первый прибор в Аннаполисе стоил 10 долларов, то эта система обошлась в 50 тысяч долларов. Это был самый грандиозный проект Майкельсона. В то время как шла работа, здоровье его начало сдавать. Пирсон произвел непосредственные измерения под руководством Майкельсона.
В 1930 году были произведены сотни наблюдений. Всего было поставлено почти 3 тысячи опытов. Скорость света в вакууме оказалась равной в среднем 299774 километрам в секунду. Научная статья, написанная Майкельсоном перед смертью, называлась точно так же, как и его первая работа, напечатанная в 1878 году в Аннаполисе «О методе измерения скорости света».
Майкельсон был величайшим мастером по созданию измерительных приборов. Его измерения скорости света стали примером классической точности. Его шедевром был прибор такой удивительной чувствительности, что им можно было с одинаковой легкостью измерить длину световой волны и диаметр звезды, которая в двести пятьдесят раз больше Солнца. Прибор Майкельсона дал Эйнштейну первое экспериментальное подтверждение теории относительности.
Майкельсон изобрел интерферометр в 1880 году, два года спустя после того, как впервые измерил скорость света; ему было тогда всего двадцать восемь лет.
Об одаренности ученого можно судить по глубине его проникновения в наиболее трудные проблемы своего времени. Майкельсон выдержал это испытание. Самым волнующим научным достижением того времени была теория Максвелла, утверждавшая, что Вселенная заполнена веществом, которое называется эфир. Еще за двести лет до Максвелла первым выдвинул гипотезу о существовании эфира Христиан Гюйгенс. Ко времени Максвелла эфиру приписывали уже множество различных свойств.
Сэр Оливер Лодж, один из пионеров радио, сказал, что эфир – «некая беспрерывная субстанция, заполняющая все пространство. Ее колебания являются светом; ее можно разделить на положительное и отрицательное электричество; сгустки ее составляют материю; из-за собственной непрерывности, а не путем столкновений, она передает любое действие и противодействие, на которое способна материя».
Поскольку каждая теория в физике XIX века основывалась на существовании эфира, Майкельсон задался целью установить, действительно ли он существует.
Метод Майкельсона был основан на том же явлении, которое вызывает радужные цвета на тонкой пленке масла на поверхности лужи. Большая часть солнечного света отражается от наружной поверхности масляной пленки, в то время как остальной свет; проникает внутрь пленки и отражается от ее нижней поверхности. При определенных углах падения света оба отражения накладываются одно на другое. Волны света, так же, как волны в воде, взаимно уничтожают или усиливают друг друга в зависимости от того, совпадает ли гребень одной волны с впадиной или гребнем другой. Есть некоторая разница в длине волн тех цветов, которые составляют белый цвет. При интерференции света некоторые цвета исчезают, и вместо них на масле появляется черная полоска. Там же, где цвета усиливаются, видны полосы хроматически чистых цветов спектра.
Интерферометр Майкельсона, спроектированный им во Франции, расщеплял луч света надвое, подобно тому, как две поверхности масляной пленки разделяют солнечный свет. Майкельсон заставил каждый луч света проходить свой особый путь, а потом соединял их снова. Если два пути света отличались друг от друга – как если бы один из них отражался от наружной, а другой от нижней поверхности тонкой масляной пленки – наблюдатель мог видеть чередующиеся светлые и темные полоски. Так как длина световой волны известна, то можно подсчитать неуловимо ничтожную разницу в расстоянии, которое проходил каждый луч.
Оригинальность идеи Майкельсона состояла в том, что, прежде чем соединить оба луча, он направлял их под прямым углом друг к другу.
Если один световой луч идет в направлении движения Земли в пространстве, то есть в эфире, а другой направлен к первому под прямым углом, то должна быть заметная разница в расстояниях, пройденных обоими лучами. Поясним это на таком примере. Представьте себе двух пловцов в реке с сильным течением и шириной в милю. Одному пловцу предложили пересечь реку и вернуться обратно, второму – проплыть милю вниз по течению и обратно. Пловца, пересекавшего реку, все время сносило бы вниз по течению, и вернулся бы он несколько ниже того места на берегу, откуда отправился. Второй пловец проплыл бы первую часть пути легко, но возвратился бы с большим трудом. На заплыв ему понадобилось бы значительно больше времени, чем первому. Зная время, затраченное каждым пловцом, можно узнать скорость течения.
Световой эксперимент Майкельсона с интерферометром был основан на том же принципе; полосы интерференции должны были показать скорость движения эфира по отношению к Земле. Но Майкельсон, установив свой чувствительный прибор, не обнаружил никакого признака движения сквозь эфир. Он был настолько убежден в точности своих измерений, что мог бросить вызов любой теории и ученому своего времени. В докладе, напечатанном в журнале «Америкэн Джорнэл оф Сайенс» в 1881 году, он уверенно заявил: «Таким образом доказано, что гипотеза неподвижного эфира неверна».
Большинство ученых с гневом отвергало выводы Майкельсона. Два человека – Фицджеральд в Дублине и Лоренц (Лоренц Хендрик Антон (1853...1928) – крупнейший нидерландский физик. Создатель электронной теории, на основании которой объяснил ряд электрических и оптических явлений. Его работы явились исходными при создании теории относительности.)в Лейдене независимо друг от друга, предложили объяснение, сохранявшее теорию эфира, если только наука согласится с предположением, что предметы, движущиеся навстречу эфиру, подобно одной трубке интерферометра, сокращаются в длину вдоль направления своего движения, в зависимости от того, как близко их собственная скорость приближается к скорости света. При обычных скоростях сокращение практически равно нулю. При скорости, равной половине скорости света, сокращение может увеличиваться почти до 15 процентов.
Многие физики считали идею Лоренца-Фитцджеральда такой же фантастичной, как и концепцию Майкельсона, и предпочитали не высказывать суждений до тех пор, пока не станут известны новые данные. В 1901 году Кауфман показал, что электроны, излучаемые радием, по-видимому, увеличивают свою массу в тот момент, когда скорость их вылета приближается к скорости света. Молодому Альберту Эйнштейну, который родился всего за два года до эксперимента Майкельсона, казалось, что разрешить загадку можно, введя совершенно новые постулаты:
Сформулированная в математических терминах в 1905 году теория относительности Эйнштейна показала, что сокращение Лоренца-Фицджеральда на самом деле существует, но оно не имеет ничего общего с эфиром. Она также предсказала, что масса любого предмета должна возрастать, когда его скорость приближается к скорости света.
В системе Эйнштейна ни одна точка Вселенной не является более подходящей для измерения, чем любая другая. Всякое движение можно измерять лишь относительно наблюдателя, производящего измерения. Нет так же никакого момента времени, который наблюдатель может считать начальным.
Время и место относительны по отношению к наблюдателю, поэтому теория была названа теорией относительности Эйнштейна в отличие от теории Ньютона, которая предполагала существование абсолютного времени и пространства. В 1919 году общая теория относительности Эйнштейна получила дополнительное подтверждение в результате астрономических наблюдений, и впервые внимание широкой публики было сосредоточено на человеке, который уже более 20 лет творил чудеса.
Интерферометр, открывший революционное направление в физике, Майкельсон использовал в 1920 году в обсерватории Маунт-Вильсон для первого в истории измерения диаметра звезды на основе принципов, сформулированных им еще в 1890 году. Интерферометр можно также применять для измерения расстояний, которые нельзя определить даже с помощью микроскопа. Например, подшипники в автомобильной промышленности могут подвергаться испытанию на совершенство обработки с точностью до одной десятитысячной. Современные методы американского производства, целиком зависящие от абсолютной точности, многим обязаны стандартам, введенным Альбертом Авраамом Майкельсоном.
Майкельсон был художником. Процесс мышления и темперамент ученого и художника одинаковы. Выбор творческой личностью той или иной формы искусства зависит от специфики его таланта. Математик и физик-теоретик близки к поэту и музыканту, а экспериментатор скорее напоминает художника или скульптора. «Порой начинаешь относиться к машине, словно у нее есть душа и характер, – писал Майкельсон. – Я бы сказал, женский характер, требующий лести, уговоров, уламывания и даже угроз. Но, в конце концов, понимаешь, что это характер чуткого и искусного игрока, который в захватывающей игре готов немедленно воспользоваться промахом соперника, который «откалывает» совершенно неожиданные номера, который никогда не доверяет случаю и, тем не менее, играет честно, строго соблюдая все правила, и не делает уступок сопернику, если тот этих правил не знает. Если выучишь эти правила и соблюдаешь их, то игра идет успешно».
Другой прибор, эшелонный спектроскоп, созданный Майкельсоном в 1898 году, с невиданной для того времени точностью анализа спектральных линий, был так же чувствителен и изящен, как и интерферометр. Когда Майкельсон достиг того, что он сам считал пределом оптической точности в этой области, он взялся за еще более смелую задачу – создание дифракционной решетки, превосходящей даже шедевры Роуленда. Майкельсон думал, что сможет в течение нескольких месяцев построить двигатель, управляющий резцом. Однако на создание шестидюймовой решетки со 110 тысячами линий потребовалось восемь лет. Она была лучше, чем любая из ее предшественниц.
В 1919 году, чтобы разрешить загадку земных приливов, Майкельсон занялся определением вязкости планеты. Это был первый случай, когда Майкельсон взялся за проблему, поставленную другим ученым. Он зарыл две шестидюймовые железные трубы длиной в 500 фунтов на глубину в 10 футов, расположив одну в направлении восток-запад, а другую – север-юг. В точке соединения обеих труб он устроил камеру наблюдения. Трубы были наполовину заполнены водой. Используя метод интерференции, Майкельсон измерил изменения уровня воды во время миниатюрных приливов, которые происходили в трубах под действием Солнца и Луны. Если бы Земля имела полужидкую структуру, в уровне воды не происходило бы заметных изменений. С другой стороны, если бы Земля была совершенно твердой, в трубах должны были бы возникать значительные приливы. Изменение уровня воды в трубах оказалось равно восьми тысячным сантиметра. Это соответствовало гипотезе о вязкой структуре Земли.
Он прожил долгую, богатую, полную жизнь, охватывающую период расцвета физики XIX века и огромную растерянность первых десятилетий XX века; он увидел проблески новых лучей, осветивших науку после открытия теории относительности и волновой механики.
Источники информации: