Вольдемар Смилга - Очевидное? Нет, еще неизведанное…

Многие из «интересующихся физикой» знают имя Майкельсона не как одного из самых трудолюбивых и тонких экспериментаторов в истории науки, а как автора опыта, приведшего к созданию теории относительности.

Результат и только результат окружает имя Майкельсона ореолом святости в сознании очень большого числа «культурных» людей.

А вот что писал о своем опыте сам Майкельсон уже много лет спустя после окончания работы:

«Предполагали, что в случае, если этот опыт приведет к положительному результату, он даст возможность определить не только движение Земли по ее пути (вокруг Солнца. — В. С. ), но и ее абсолютное движение в эфире. По различным веским причинам полагают, что Солнце, а за ним и все планеты движутся в определенном направлении через пространство со скоростью примерно 30 километров в секунду. Эта скорость не вполне точно определена, и я надеялся, что при помощи этого опыта мы будем иметь возможность измерить скорость движения всей солнечной системы в пространстве. Но так как результат опыта оказался отрицательным, задача еще ждет своего решения. Этот опыт имеет для меня исторический интерес, ибо именно для решения указанной задачи был изобретен интерферометр.

Вероятно, всякий согласится, что произведенная нами работа в достаточной степени вознаградила нас за отрицательный результат опыта тем, что привела к изобретению интерферометра».

Этот отрывок продиктован не только скромностью большого человека. Майкельсон был действительно очень разочарован отрицательным результатом своего эксперимента. Он рассчитывал одновременно установить движение солнечной системы в системе отсчета неподвижных звезд и подтвердить теорию неувлекаемого эфира.

Ни того, ни другого добиться не удалось. Опыт показал только, что теория неувлекаемого эфира не оправдывается. До создания теории относительности было еще очень далеко, и Майкельсон мог только констатировать, что результат опыта совершенно непонятен. Поэтому его разочарование было и искренне и естественно. Впрочем, он утешался тем, что изобрел действительно замечательный прибор — интерферометр.

Вообще стоило бы детально разобрать не только идею, но и теорию опыта Майкельсона. Но следует помнить, что точная теория этого эксперимента сравнительно мало напоминает общепринятую в изложениях схему. Достаточно заметить, что в первом сообщении сам Майкельсон приводит ошибочный расчет.

Если на основе теории неувлекаемого эфира правильно вычислить предполагаемый эффект, результат окажется вдвое меньше рассчитанного Майкельсоном.

Как указывает Майкельсон, идея опыта принадлежит Максвеллу, а схема (именно схема!) установки весьма проста.

По теории неувлекаемого эфира скорость света относительно эфира совершенно не зависит от движения источника относительно эфира. (Точно так же, как скорость звука в атмосфере не зависит от движения источника звука относительно атмосферы [48] .) И если теория неувлекаемого эфира правильна, то должен существовать следующий любопытный эффект.

Рассмотрим источник света и зеркало, жестко закрепленные друг относительно друга. Они, естественно, как и всё в мире, погружены в море неувлекаемого эфира. Если эта система движется относительно эфира со скоростью V, то можно легко убедиться, что свет затратит на путь туда и обратно время, отличное от времени, которое требуется ему на тот же путь в случае, когда эта система покоится относительно эфира.

Собственно, на этом и основан эксперимент Майкельсона. В теории неувлекаемого эфира «строгое» описание опыта выглядит так [49] .

По спокойной воде буксируется квадратный плот. (Квадратным он взят только для простоты дальнейших расчетов.)

Скорость плота относительно воды — V .

Из точки А одновременно бросаются в воду два спортсмена: пловец № 1 и пловец № 2. Оба имеют одинаковую скорость — с .

Пловец № 1 плывет к точке Д ; пловец № 2 — к точке В . Достигнув этих точек, они поворачивают назад и плывут в точку А . Конечно, c > v , в противном случае плот просто уплывет от обоих спортсменов.

Требуется подсчитать время, которое затратил на свой путь каждый из пловцов. Задача, как видите, доступна семикласснику. Позвольте поэтому привести ее решение без пояснений.

Для пловца № 1:

1) t АДА = t АД + t ДА;

2) c · t АД = l + v · t АД, t АД = l / c – v ;

3) c · t ДА = l – v · t ДА, t ДА = l / c + v ;

4) t АДА = l / c – v + l / c + v = 2 cl / c 2 – v 2 = 2 l / c · 1/(1 – v 2/ c 2).

Здесь 2 l / c = t 0— время, которое затратил бы пловец на путь туда-обратно, если бы плот не двигался.

Если v / c << 1, то 1/(1 – v 2/ c 2) ≈ (1 + v 2/ c 2) [50] . Тогда время, затраченное пловцом № 1 на путь, равно:

t N1 = t 0(1 + v 2/ c 2).

Для пловца № 2 решение чуть-чуть сложнее. Кратчайшим путем из А в В будет гипотенуза треугольника АВВ 1, где В 1— то положение, которое занимает конец плота в момент, когда пловец № 2 доплывает до В .

Если пловец № 2 умный, он с самого начала рассчитает свой путь, сделает упреждение на снос плота и «поплывет по гипотенузе». То же самое можно сказать о его обратном пути из В в А .

Время пути находится просто:

1) t АВА = t АВ + t ВА = 2 t АВ.

2) с 2 · t 2 AB = l 2 + v 2 · t 2 АВ, t 2 АВ = l 2/( c 2 – v 2);

3)

Снова, если v / c << 1, то

И окончательно в этом случае:

t N2 = t 0(1 + v 2/2 c 2).

(Заметим, что это время меньше, чем время пловца № 1.)

Как видите:

t N1 – t N2 = t 0 · v 2/2 c 2.

Пловец № 1 оказывается в менее выгодном положении, чем пловец № 2. Он вернется назад позже. Если плот повернется на 90°, не изменяя направления движения, пловцы обменяются ролями: № 1 окажется в роли № 2, а № 2 — в роли № 1. Тогда, естественно, пловец № 2 отстанет от пловца № 1.