Американские ученые и изобретатели

Уилсон Митчел

Военно-морская обсерватория в Аннаполисе, где Майкельсон впервые измерил скорость света.

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 Келвина о «маловероятности будущих открытий в результате каких-либо исследований, кроме вычислений, связанных с шестым знаком десятичных дробей».

Однако 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 выдающихся 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 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 не иметь больше 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 и 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, тонко чувствуя цвет.

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. Майкельсон обладал смелостью Прометея.

Скорость света

Только 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 измеряя 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 же время, в течение которого диск поворачивался на небольшой угол — на ширину одного промежутка между выступами. На диске Физо было 720 выступов, и он делал ровно 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 скорости света приобрела новое, чрезвычайно важное значение. Недавно сформулированная Максвеллом электромагнитная теория света 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 даже выделил средства известному американскому астроному Саймону Ньюкомбу 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 299 895 ±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 методом. Майкельсон подтвердил результат своих предыдущих измерений.