Д.К.Миллер. Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли. Часть 1, 1933 г.

Материал из Эфирный ветер

Перейти к: навигация, поиск


Это начало статьи. Продолжение см. Д.К.Миллер. Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли. Часть 2. 1933 г.

Дэйтон К.Миллер, Кейсовская школа прикладной науки.
The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth. Dayton C. Miller, Case Scool of Applied Science
Перевод с англ. В.А.Ацюковского.

Содержание

[править] Эксперимент по эфирному ветру. Исторические 1878—1881 гг

В обычно принятой теории свет рассматривается как волновое движение светоносного эфира, и это сделало необходимым определение основных свойств эфира, которые дают ему возможность передавать волны света и обеспечивать в целом оптические явления. Теории эфира подразумевают связь с теориями структуры вещества и находятся в числе наиболее фундаментальных во всей области физической науки. Предположительно эфир заполняет все пространство, даже то, которое занято материальными телами, и еще он позволяет всем телам двигаться сквозь него совершенно свободно, это очевидно. Вопрос о том, каким образом эфир переносится такими телами, как Земля, вдоль направления их движения, рассматривался наукой еще на ранней стадии развития волновой теории. Открытие аберрации света в 1728 г. было вскоре объявлено общепринятой корпускулярной теорией света. Эффект был определен как простое сложение скорости света со скоростью орбитального движения Земли. Френель предложил объяснение, которое было принято благосклонно, основанное на волновой теории и предполагавшее, во-первых, что эфир покоится в свободном пространстве, а во-вторых, что «плотность эфира» различна в Различном веществе и что скорость распространения света в любых веществах обратно пропорциональна квадрату плотности эфира. Эти две гипотезы дали полное и достаточное объяснение аберрации; вторая обсуждалась для того, чтобы проверить ее в экспериментах Физо, а также Майкельсона и Морли; первая гипотеза о том, что эфир неподвижен в пространстве, всегда вызывали сомнение.

Первое предложение метода измерения относительного движения Земли и эфира с помощью оптического эксперимента было сделано Джеймсом Клерком Максвеллом в его статье «Эфир», которая была опубликована в томе Британской энциклопедии в 1878 г. Предполагалось что эфир находится в покое, что световые волны распространяются в свободном эфире в некотором направлении и всегда с одинаковой скоростью по отношению к эфиру и что Земля в своем движении в пространстве свободно проходит сквозь эфир, не захватывая его. Эксперимент основывался на том соображении, что кажущаяся скорость света должна быть различна в зависимости от того, переносится ли наблюдатель Землей вдоль линии распространения света или под прямым углом к этой линии. Таким образом, появляется возможность определить скорость относительного движения между движущейся Землей и неподвижным эфиром, что должно наблюдаться как «эфирный ветер» или «эфирный дрейф». Орбитальное движение Земли имеет скорость 30 км/с, в то время как скорость света в десять тысяч раз больше и составляет 300.000 км/с. Если бы было возможно измерить прямое влияние орбитального движения Земли на кажущуюся скорость света, то скорость, измеренная вдоль линии движения, отличалась бы от скорости света, распространяемого под прямым углом к этой линии, на 30 км/с или на 1/10.000. Это был бы «эффект первого порядка». Максвелл объяснил, что поскольку все практические методы требуют, чтобы свет распространялся от одного пункта к другому и возвращался назад к первому пункту, положительный эффект от движения Земли будет нейтрализован негативным эффектом от возвращения луча, однако благодаря движению наблюдателя во время перемещения света нейтрализация не будет совершенно полной, и можно наблюдать «эффект второго порядка», пропорциональный квадрату отношения скорости Земли к скорости света. Максвелл сделал в статье следующее заключение: «Изменение во времени распространения света из-за наличия относительной скорости эфира таково, что движение Земли по своей орбите создаст только одну стомиллионную долю полного времени распространения и поэтому будет совершенно незаметно».

Позже проф. Альберт А.Майкельсон принял максвелловский вызов, и когда он находился в Берлинском университете в 1880—1881 гг., он придумал замечательный инструмент, повсеместно известный как интерферометр Майкельсона, который был специально приспособлен для экспериментов с эфирным ветром [1][2]. В интерферометре луч света буквально расщеплялся на два посеребренным полупрозрачным зеркалом, и оба луча могут быть пропущены под прямым углом друг к другу. В конце заданного пути каждый луч отражается назад, и оба идут к тому месту, где они были разделены. Если два пути, лежащих под прямым углом, были оптически эквивалентны, воссоединенные лучи света согласованно сложат свои волны. Если, однако, пути света в интерферометре различны по своим длинам или по оптическим свойствам среды, через которую свет пропускается, различие в фазе приведет к результату, который может наблюдаться как смещение «интерференционных полос». Наблюдение этих полос дает возможность обнаружить чрезвычайно малые изменения относительной скорости света в двух частях интерферометра; измерения проводятся в долях длин волн света.

Рис. 19.1. Интерферометр Майкельсона 1881 года.

Майкельсон сам применил свой интерферометр для отыскания относительного движения Земли и эфира, как предлагал Максвелл. Александр Грэхэм Белл разработал конструкцию нового прибора (см. рис. 19.1), который был изготовлен Шмидтом и Ханшеном в Берлине. Полупрозрачное зеркало было помещено над центральной осью, а два плеча, образующие прямой угол, длиной каждое по 120 см несли на своих концах зеркала. Аппаратура была снабжена телескопическим плечом; наведение его в различные азимуты давало возможность определять эффект орбитального движения Земли, когда свет пропускается в направлении движения и под прямым углом к нему.

Первые попытки проведения экспериментов по эфирному ветру были предприняты в Физическом институте университета в Берлине, но наводки от уличного движения делали невозможным наблюдения полос, кроме как среди ночи. Эксперимент был перенесен в обсерваторию в Потсдам, интерферометр был смонтирован в пустом месте в нижней части кирпичного фундамента, поддерживающего большой телескоп.

В отчете об эксперименте, опубликованном в 1881 г. [3] с уточненным объяснением в статье 1887 г., [4] установлено, что с учетом только орбитального движения Земли смещение интерференционных полос Должно составлять 0,04 ширины полосы; реально же наблюдаемые смещения варьировались от 0,004 до 0,015 ширины полосы и являются просто погрешностью эксперимента. Было сделано заключение, что гипотеза стационарного эфира не подтвердилась.

[править] Эксперименты Майкельсона-Морли, Кливленд, 1887 г

Рис. 19.2. Интерферометр Майкельсона-Морли 1887 года.

В 1887 г., когда он находился в Европе, Майкельсон был приглашен в профессуру физики во вновь организованную Кейсовскую школу прикладной науки в Кливленде и таким образом познакомился с покойным Эдвардом В.Морли, проф. химии в Западном филиале университета; эти два института располагались напротив друг друга. Проф. Морли предложил некоторые важные усовершенствования интерферометра и методики его применения с тем, чтобы можно было адекватно измерять ожидавшийся тогда эффект в эксперименте по эфирному ветру. За счет ассигнований со стороны фонда Баха Национальной академии наук был сконструирован новый интерферометр, в который вошли эти усовершенствования; оптические части были сделаны покойным Джоном А.Браширом из Питсбурга. Для того чтобы избежать возмущений от вибраций и деформаций, оптические части были смонтированы на твердом блоке из песчаника (см. рис. 19.2), который плавал в ртути, содержащийся в круглом чугунном баке. Эта плавающая опора сделала возможным поворачивать интерферометр на различные азимуты, что улучшало наблюдения. Каменная квадратная плита имела сторону 130 см и толщину 30 см. Чтобы получить необходимую чувствительность, эффективный световой путь был увеличен с помощью отражения света назад и вперед так, что он проходил диагональ квадратного камня восемь раз, давая эффект интерферометра с плечом около 1100 см длиной. Ожидаемое смещение полос, соответствующее скорости Земли на ее орбите, составляет 0,4 ширины полосы.

Майкельсон и Морли совершили свой исторический эксперимент в северной комнате подвального этажа главного здания Колледжа Адельберта в Кливленде в 1887 г.; их полная серия наблюдений имела продолжительность 6 ч, по одному часу в полдень 8, 9 и 11 июля и по одному часу вечером 8, 9 и 12 июля и состояла из 36 оборотов интерферометра; считывания проводились на каждом из 16 равноотстоящих положений в каждом обороте. Методы наблюдения были ориентированы на то, чтобы найти предполагаемое движение Земли по направлению к известной точке пространства с заданной скоростью, и поэтому не были сделаны главные серии наблюдений. Кратких серий наблюдений было достаточно, чтобы ясно показать, что полученный эффект не имеет ожидаемого значения. Однако, и это следует подчеркнуть, что полученный эффект не был нулевым; чувствительность аппарата была такая, что заключение, опубликованное в 1887 г. установило, что наблюдаемая относительная скорость Земли и эфира не превышает 1/4 орбитальной скорости Земли. Это совершенно отличается от нулевого результата, теперь так часто приписываемого этому эксперименту авторами работ по теории относительности. Также совершенно необходимо обратить внимание на следующий исторический факт: Майкельсон и Морли провели только одну серию наблюдений, в июле 1887 г., и никогда не повторяли эксперимента по эфирному ветру в другое время, несмотря на множество противоположных печатных сообщений.

Рис. 19.3. Смещение интерференционных полос в первоначальном эксперименте Maйкельсона-Морли в 1887 г. По оси абсцисс — угол поворота интерферометра, одно деление равно 1/16 оборота.

В первоначальной оценке своего эксперимента Майкельсон и Морли привели реальные отсчеты положений интерференционных полос в шести сериях наблюдений. Верхняя длинная кривая на рис. 19.3 показывает среднее из трех серий отсчетов, сделанных днем, а нижняя длинная кривая — среднее для трех серий, сделанных вечером. Эти кривые показывают смещение полос для полного оборота интерферометра, в это время смешение полос в результате действия эфирного ветра было периодическим в каждой половине оборота. Чтобы найти окончательный эффект, вторую половину длинной кривой суммировали с первой половиной, чем погашались полнопериодический эффект и все нечетные гармоники, даваемые короткой кривой, изображающей желаемый полупериодический эффект, вместе с высшими гармониками, которые также могут быть. Рассмотрение кривых ясно показывает, что они вовсе не дают нулевого значения; они не являются результатом случайного разброса и дают продолжительный систематический эффект. Полнопериодические кривые были подвергнуты анализу с помощью механического гармонического анализатора, который определил истинное значение полупериодического эффекта; он, будучи сопоставлен с соответствующей скоростью относительного движения Земли и эфира, показал скорость 8,8 км/с для полуденных наблюдений и 8,0 км/с для вечерних наблюдений. На рис. 19.4 плавная кривая показывает значения скорости эфирного ветра в течение суток для широты Кливленда, которые определены детально для дрейфа и которые описаны ниже в настоящей статье по данным наблюдений, сделанных на Маунт Вилсон. Два кружка на этом графике соответствуют скорости дрейфа, реально полученному Майкельсоном и Морли для полуденных и вечерних наблюдений, показавших полное соответствие с результатами более поздней работы, описанной здесь.

Рис. 19.4. Скорость эфирного ветра, наблюденного Майкельсоном и Морли в 1887 г. и Морли и Миллером в 1902, 1904 и 1905 гг.

Тот факт, что результат, полученный Майкельсоном и Морли, не был пренебрежимо мал, был очень полно установлен ранее профессором Хиксом из Университетского колледжа Шеффилда в 1902 г. в его важном теоретическом исследовании первоначального эксперимента [2].

Хикс также обратил внимание на присутствие полного периода, эффекта первого порядка, который никогда не был исследован в достаточной степени; этот эффект первого порядка будет обсужден ниже.

[править] Гипотеза Лоренца — Фицжеральда

Эксперимент Майкельсона — Морли, который показал, что теория эфира была или неполной, или неправильной, привлек широко внимание мира, потому что он имел фундаментальный характер, а также потому, что результат оказался совершенно неожиданным. Проф. Фицжеральд из Дублина в 1891 г. выдвинул объяснение малого эффекта на основе гипотезы о том, что силы, связывающие молекулы в твердом теле, могут изменяться при движении тела сквозь эфир и таким образом, что размеры каменного основания интерферометра должны укорачиваться в направлении движения и это сокращение может быть таким, что оно нейтрализует оптический эффект, отыскиваемый в эксперименте Майкельсона — Морли. Фицжеральд не опубликовал своей теории в научных журналах, но он изложил ее в своих письмах. Эта теория была представлена к публикации сэром Оливером Лоджем в его статье «Проблемы аберрации и новые эфирные эксперименты», представленной 31 марта 1892 г. в Королевское общество, эта статья была опубликована в Philosophical Transactions в 1893 г. [5]. Лодж изложил дополнительные детали этой гипотезы в своей недавно изданной автобиографии [6]. В 1895 г. проф. Лоренц из Лейдена развил теорию, придав ей системный характер, имея в виду, что частицы всех твердых тел удерживаются вместе электрическими силами и что движение тела как целого должно изменять электрические силы между атомами за счет появления магнитных эффектов, вызванных движением. Результатом этого должно быть сокращение размера тела в направлении движения, и это сокращение пропорционально квадрату отношения скоростей перемещения и света, оно должно иметь такое значение, чтобы полностью аннулировать эффект эфирного ветра в интерферометре Майкельсона — Морли [7]. Если сокращение зависит от физических свойств твердого тела, то можно предположить, с другой стороны, что полный ожидаемый эффект, аннулируемый в одной аппаратуре, может в аппаратуре с различными материалами дать эффект, отличный от нуля, возможно, противоположного знака.

[править] Эксперименты Морли — Миллера, Кливленд, 1902—1906 гг

[править] Интерферометр из дерева, 1902 г.

На Международном конгрессе по физике, состоявшемся в Париже в 1900 г. во время Международной выставки, Лорд Кельвин произнес речь, в которой он изложил основные теории эфира и подчеркнул значение результатов экспериментов Майкельсона — Морли для этих теорий. [8] Проф. Морли и автор присутствовали, и в их разговоре с Лордом Кельвином последний решительно настаивал на повторении эксперимента по эфирному ветру с более совершенной аппаратурой. Морли и Миллер затем сконструировали интерферометр, специально рассчитанный на проверку гипотезы Лоренца-Фицжеральда. База этого интерферометра была выполнена в форме креста, сделанного из белых сосновых досок длиной около 430 см, свет пропускался вдоль досок более, чем три раза, так же, как это было сделано Майкельсоном и Морли в 1887 г. Основные размеры, оптические части и методы наблюдений с использованием этой аппаратуры были теми же, что и для стального интерферометра, детально описанного в последующих разделах настоящей статьи. Прибор был смонтирован в северо-западном углу подвальной комнаты в главном здании Кейсовской школы прикладной науки; в августе 1902 г. и в июне 1903 г. были проведены три серии наблюдений, состоящие из 505 поворотов интерферометра. Был обнаружен небольшой положительный эффект, показанный квадратиком на рис. 19.4, который, хотя и был несколько больше, чем в предшествующем эксперименте, был еще слишком мал, что указывало на то, что если уменьшение наблюдаемой скорости отнести за счет гипотетического сокращения размеров, то сосна подвержена ему в той же степени, что и песчаник. Изменения в деревянных опорах из-за вариаций влажности и температуры затрудняли получение точных наблюдений, и было решено отказаться от сосновой базы аппаратуры и сконструировать прибор с базой из металла для закрепления тяжелых частей, причем такой, чтобы в ней длина оптического пути определялась различным материалом — деревом или металлом — по желанию.

При разработке новой аппаратуры были проведены эксперименты для выявления влияния магнитного поля на железные части прибора; такое влияние на результаты следовало исключить. На противоположных концах одного из длинных плеч крестовины были подвешены массивные бруски железа, причем один брусок размещался параллельно земному магнитному полю, а другой — поперек него; их влияние менялось на противоположное при изменении азимута аппаратуры на противоположный. Наблюдения с нагрузкой дали те же самые результаты, что и ранее. В дальнейшем эксперименте на одном плече были размещены аналитические балансиры, вместе с которыми железный брусок весил 1200 г. Брусок был ориентирован так, чтобы при одном азимуте аппарата он был параллелен направлению земного магнитного поля, в то время как второй располагался поперек направления поля. При этом могла быть определена разница в полмиллиграмма, но такой разницы не было. Наблюдение за эффектом проводилось с помощью размещения груза с известной массой на одном плече интерферометра; было показано, что земной магнетизм не может являться возмущающим фактором.

[править] Описание нового стального интерферометра

Ассигнования, выделенные фондом Румфорда Американской академии искусств и наук, сделали возможным разработку в 1904 г. совершенно нового стального аппарата. Расчет основы интерферометра, выполненный проф. Ф. Х. Неффом из отдела гражданской техники Кейсовской школы прикладной науки, был проведен с учетом того, что все оптические части и принадлежности должны быть размещены на двух балках из структурной стали (рис. 19.5, 19.10 и 19.14), каждая около 430 см длины, пересекающихся в форме креста. Цель этого расчета была гарантировать структурную симметрию и наивысшую жесткость.

Стальной крест крепился на круглом деревянном поплавке (рис. 19.5) диаметром 150 см; на нижней стороне размещалось деревянное кольцо, имеющее внешний диаметр 150 см, внутренний диаметр 80 см и толщину 20 см. Деревянный поплавок покоился на ртути, налитой в кольцевой желоб из чугуна, размеры которого оставляли зазор около 1 см вокруг дерева; этот зазор заполнялся ртутью. Потребовалось около 275 кг ртути, чтобы обеспечить плавучесть всего аппарата, масса которого составила около 1200 кг. Поплавок сохранял центральное положение благодаря центральной шпильке, которая удерживалась без давления. Кольцевой железный бак поддерживался опорами из кирпича или бетона такой высоты, которая требовалась для того, чтобы окуляр наблюдательного телескопа находился на уровне глаз наблюдателя, соответственно его позе во время хождения вокруг интерферометра, плавно поворачивающегося на ртути. Чугунный желоб для ртути вместе с круглым деревянным поплавком являются теми же самыми частями, которые были использованы в первоначальном интерферометре Майкельсона и Морли в 1887 г., и эти две части продолжают использоваться автором до настоящего времени. Остальные части аппарата 1887 г. были выброшены, исключая только три чугунных держателя для зеркал.

Рис. 19.5. Секция крестовины на ртутном поплавке для интерферометра

Все плоские оптические поверхности были сделаны в 1902 г. оптическим мастером О. Л. Петитдидером из Чикаго, и их качество было совершенным; они состояли из двух плоскопараллельных пластин, каждая размером 10,5 × 17,5 см, и 16 плоских зеркал круглой формы диаметром 10,25 см. Общий план интерферометра показан на рис. 19.6, который выполнен не в точном масштабе. На центральной пластине на пересечении плеч крестовины смонтированы полупрозрачное посеребренное диагональное зеркало D, и его компенсационная пластина С, изготовленные из одной плоскопараллельной пластины. На внешнем конце каждого плеча крестовины смонтировано по четыре круглых зеркала на металлической пластине, которая удерживается в вертикальном положении. Каждое из 18 зеркал удерживается пружинами против точек трех регулировочных винтов, чтобы иметь возможность осуществить необходимую регулировку для обеспечения надежной интерференции. Для того чтобы обеспечить возможно более точную симметрию двух плеч микрометрический винт для перемещения концевого зеркала параллельно самому себе не используется, а все регулировки обеспечены с помощью трех простых винтов, так же, как и для других зеркал. Свет от источника S выпускается параллельно конденсирующей системой L, состоящей из трех линз диаметром 15 см, и достигает полупрозрачного зеркала D. Часть этого света передается к зеркалу 1-1; он последовательно отражается от зеркал 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, пройдя расстояние, примерно равное 7,5 длин плеча крестовины. От зеркала 8 свет возвращается обратно к D, где он частично отражается к наблюдательному телескопу Т. Второй луч света падает на D и отражается вдоль второго плеча крестовины к II—I отражается вперед и назад, возвращается к D и частично транслируется к наблюдательному телескопу. В реальной аппаратуре (см. рис. 4.3 который в точности повторяет рис. 19.7) зеркала 5 и 7 размещены выше зеркал 3 и I, а зеркала 6 и 8 выше зеркал 4 и 2. С помощью этой системы зеркал эффективная длина плеча интерферометра значительно возрастает и в реальной аппаратуре составляет 3203 см, обеспечивая полную длину пути, прямого и обратного, 6406 см, что составляет около 112.000.000 длин волн ацетиленового света, примененного в эксперименте. Телескоп имел апертуру 3,3 см, длину фокусного расстояния 35 см, и увеличение 35 раз. Телескоп сфокусирован на поверхности зеркала 8, где, после того как регулировка завершена, должны появиться интерференционные полосы.

Рис. 19.6. План оптических путей в интерферометре

Такой аппарат, состоящий из оптических плоских поверхностей, стальной крестовины и ртутного бака с поплавком, был применен автором во всех экспериментах с 1904 г. до настоящего времени, исключая то, что для эксперимента декабря 1921 г. стальная крестовина была размещена на основании из бетона. В 1923 г. малый считывающий телескоп был заменен на астрономический телескоп с 13-сантиметровой апертурой, имеющий увеличение в 50 раз. Весь путь света в аппарате закрыт, покрытие было выполнено из соснового дерева, но только для экспериментов 1904 г.; в 1905 г. покрытие было для всех плеч выполнено из стекла, это сделало аппарат полностью прозрачным в горизонтальном плане; это устройство, показанное на рис. 19.13 и 19.16, применяется до настоящего времени.

[править] Регулировка интерферометра

Когда зеркала установлены, расстояния между ними, равные примерно 425 см, выравнивались с помощью легкой деревянной линейки, и зеркала регулировались так, что два световых луча, каждый состоящий из восьми отдельных частей, были примерно одинаковыми. Для установления интерференции применялся натриевый свет от обычной натриевой лампы лабораторного типа; наблюдая визуально максимум системы натриевых интерференционных полос, регулировки осуществлялась по центру этой системы, где полосы белого света могли быть замечены. Когда аппарат был впервые собран на Маунт Вилсон, время, потребовавшееся для приближенной регулировки расстояния между зеркалами с помощью деревянной линейки, составило около 1 ч, для средних зеркал — 15 мин, для нахождения полос с белым светом — 45 мин или 2,5 ч для всей операции. В другом случае полосы для натриевого света были найдены за 10 мин тщательной работы, а полосы белого света — за 45 мин. Для предварительной регулировки пытались применить ртутную дугу и другие монохроматические источники, но натриевый источник оказался предпочтительнее, потому что средняя часть интерференционной системы полос, которая соответствует равным световым путям в двух плечах интерферометра, может быть легко установлена. Полосы белого света были выбраны потому, что они состоят из небольших групп линий, имеющих отчетливые черные линии с резкими краями, которые формируют нулевую отметку для последующих отсчетов. Раньше, до 1924 г. в качестве источника света применялась маленькая ацетиленовая лампа типа тех, которые используются для велосипедов; лампа была закреплена на кронштейне, установленном на конце одного из плеч интерферометра, как показано на рис. 19.10 и 19.13. Такая лампа дает концентрированный, яркий и очень устойчивый свет с минимальным выделением тепла; сама лампа очень проста, имеет малую массу, а горит несколько часов, почти не требуя внимания. Для наблюдений 1924 г. и для части наблюдений апреля 1925 г. источник был размещен вне комнаты интерферометра, как объяснено позже, и была применена большая лампа типа автомобильной фары, показанная на рис. 19.14. В апреле 1925 г. была вновь выбрана маленькая ацетиленовая лампа, теперь она была помещена на потолке покрытия интерферометра по центральной оси, как показано на рис. 19.16, свет передавался в оптические пути с помощью двух зеркал на конце одного из плеч. Устройство это действует и сейчас. Монохроматические линии в наблюдениях эфирного ветра никогда не применялись, хотя экспериментальные попытки и делались, как будет описано ниже.

Интерференционные линии сформировались на поверхности наиболее удаленного зеркала, по схеме, № 8 серии, как уже описано. К несушей раме этого зеркала прикреплен маленький кончик стрелки из латуни, который находится почти в контакте с зеркалом и проектируется в поле зрения, формируя фиксированную начальную метку для определения положения системы полос. Прежде чем начать наблюдения, концевое зеркало № 8 на телескопическом плече очень тщательно регулируется, чтобы подобрать подходящую ширину вертикальных линий. Имеются две регулировки углов этого зеркала, которые будут давать линии той же ширины, но которые производят противоположные смещения линий при одних и тех же изменениях в одном из световых путей. Всегда очень большое внимание требуется для того, чтобы отрегулировать этот критический угол так, чтобы заставить точку указательной стрелки появляться справа от центральной черной полосы, когда световой путь телескопического плеча увеличивается в эффективной длине; отсчет для такого положения записывается со знаком плюс. Когда указатель появляется слева от центральной полосы, — отсчет отрицательный, соответствуя укорочению телескопического плеча. Регулировка использована полностью, когда от шести до десяти полос появляются в поле зрения и так, что центральная черная линия находится не более чем на расстоянии двойной ширины полосы от указателя. На рис. 19.7 показано поле зрения с установленными узкими полосами и широкими полосами, последние соответствуют условиям реального наблюдения.

Рис. 19.7. Интерференционные полосы, наблюдаемые в интерферометре

[править] Метод применения интерферометра

Метод применения интерферометра для определения эфирного ветра предполагает, что телескопическое плечо интерферометра будет находиться в линии движения Земли с учетом проекции движения эфира на плоскость интерферометра, поскольку второе плечо находится под прямым углом к этому движению. Интерференционные полосы будут показывать определенный отсчет по отношению к указателю в поле зрения. Аппарат затем поворачивается на угол 90°, так что влияние движения Земли на кажущуюся скорость света переносится с одного телескопического плеча на другое: в результате система интерференционных полос будет смещена на расстояние, зависящее от квадрата отношения скорости движения к скорости света. Однако направление абсолютного движения Земли неизвестно, поэтому невозможно установить интерферометр определенно в желаемое положение и его приходится медленно вращать на ртутном поплавке, так что телескоп проходит последовательно все азимуты. Относительное движение Земли и эфира будет тогда вызывать периодическое смещение интерференционных полос, полосы двигаются сначала в одну сторону, а затем в другую по отношению к указателю в поле зрения, с двумя полными периодами в каждом обороте инструмента. Неизменность температурных условий важна для постоянства размеров аппарата и рефракции воздуха в оптическом пути. Обычно аппарат приводится в движение за час или более до того, как начать отсчеты. Иногда для того, чтобы обеспечить постоянство распределения температуры применяется вентилятор, а окна обычно были открыты во все стороны. Однако когда наблюдения проводились в дневное время, окна должны были закрываться занавесями или темной бумагой. Аппарат приводится в движение тягой в несколько унций (унция — 28,3 г) посредством тонкой струны, прикрепленной к деревянному поплавку; струна смягчала усилие, и даже если бы она порвалась, не могло бы произойти заметного рывка стального интерферометра, который покоится на поплавке. Интерферометр поворачивается так легко, и он имеет такую инерцию, что если он начал вращение, то он будет продолжать вращение полтора часа или более без толчков и рывков. Он вращается совершенно свободно, так что это является «плаванием» без ускорений и возмущений.

Цель наблюдений заключается в определении смещения интерференционных полос и направления, в котором направлен телескоп, когда это смещение максимально. Наблюдатель ходит по кругу диаметром около 20 футов (6 м), удерживая свой глаз на движущемся окуляре телескопа, прикрепленного к интерферометру, который плавно поворачивается вокруг своей оси со скоростью 1 об. за 50 с. Наблюдатель не должен касаться интерферометра во время своего пути и в то же время он не должен терять из виду интерференционных полос, которые видны только через маленькую апертуру окуляра телескопа, имеющую диаметр около 0,25 дюйма (порядка 6,4 мм). Струна прикрепленная к поплавку и упомянутая выше, может быть использована как чувствительная направляющая, чтобы помочь наблюдателю в нахождении правильного закругленного пути. К деревянному поплавку прикреплена тонкая металлическая щетка, последовательно касающаяся 16 контактов, находящихся на равном расстоянии друг от друга на баке со ртутью, замыкая электрическую цепь, которая включает небольшой звуковой сигнализатор и указывает мгновение, в которое должен происходить отсчет.

Совершенно реально можно провести отсчеты положений интерференционных линий, соответствующих шестнадцати равноотстоящим азимутам на одном обороте интерферометра при скорости 1 об. за 50 с.

«Серия» отсчетов, соответствующая «одиночному наблюдению» и изображенная одной точкой на диаграммах первоначальных наблюдений, обычно состоит из 320 отсчетов, сделанных за 20 об. на протяжении 18 мин. Среднее время между началом и окончанием серии отсчетов принято за время наблюдения. Обычно 20 об. наблюдаются в непрерывной последовательности, однако если один отсчет при каком-либо азимуте утрачен из-за вибрации держателя или по какой-нибудь иной причине, то аннулируется весь оборот. Регулировки сохраняются так, чтобы центральная линия в поле зрения (см. рис. 19.7) никогда не отклонялась от точки отсчета на расстояние большее, чем две ширины полосы. Чисто температурный дрейф таков, что полосы перемещаются на большее расстояние, чем это было ранее в полной серии из 20 об. Когда это происходит, система полос восстанавливается в центральное положение простым перемещением малой массы 200 или 300 г на одном конце плеча или снятием массы с плеча. Все это делалось без остановки непрерывного вращения аппарата и обычно без перерыва отсчетов, а если отсчет не был зафиксирован, то этот оборот выбрасывался, и наблюдения продолжались до тех пор, пока не набиралась серия из 20 полных оборотов. Только изредка необходимо вновь подрегулировать положение полос с помощью винтов, на которые опираются зеркала. В некоторых случаях температурные условия оказывались столь стабильными, что не требовалось регулировать полосы в течение нескольких серий наблюдений, которые могут продолжаться час или более; такие серии наблюдений повторялись регулярно в течение нескольких часов рабочего времени.

Представляется очень важным, чтобы интерферометр не был закрыт ни металлическим экраном, ни другим непрозрачным покрытием, а также то, что аппарат не должен помещаться внутри комнаты с тяжелыми стенами, какие требуются для комнат с постоянной температурой. Насколько это возможно, аппарат должен быть открыт, чтобы не происходило захвата эфира окружающими прибор массивными материалами. Инструмент весьма чувствителен к изменению температуры и к вибрации опоры, а измеряемая величина чрезвычайно мала. Когда же аппарат использует минимальные покрытия, он подвержен в большей степени температурным возмущениям, чем когда он полностью защищен; тогда результаты в большей степени разбросаны среди отдельных отсчетов, поэтому необходимо собрать большое число отсчетов и так быстро, насколько это возможно при этих условиях. Усреднение отсчетов затем выявит присутствие эфирного дрейфа, потому что температурные изменения, которые происходят более медленно, будут отсутствовать в конечном усредненном результате. Если отсчеты проведены в интервале около 3 с, положение максимального смещения зависит от считываний, продолжающихся меньше 10 с. Полный период смещения происходит в интервале около 25 с. Любой температурный эффект или другая возмущающая причина, которая не строго периодична каждые 25 с в интервале 50 мин., будет гарантированно отброшена в процессе усреднения, в то время как останется реальный эффект. Таким образом, результаты наблюдений за направлением абсолютного движения в широком диапазоне не зависят от обычных температурных вариаций. И хотя наблюдательная способность людей различна, наблюдения могут быть выполнены со значительной уверенностью во всех условиях. Возмущения из-за температуры или других причин, длящиеся несколько секунд или несколько минут, могут влиять на реальные значения наблюдаемого смещения и делать менее уверенным значение скорости эфирного ветра; однако в то же время положение азимута смещения не изменится.

До 1925 г. интервал времени реальных считываний ограничивался одним или двумя часами определенного времени суток; время, требуемое для подготовки и предварительной регулировки, увеличивало этот интервал еще на два часа. Процесс, примененный в 1925 г., сделал необходимым распределение наблюдения равномерно по 24 часам суток для того, чтобы определить ежедневные изменения. Отсчет показаний термометров и регулировка положения полос проводятся за несколько минут; в течение рабочего дня или ночью, за 8 часов, в течение каждого часа могут быть сделаны две серии отсчетов. Собраны сотни серий отсчетов, распределенные по 24 часам суток, выполненных при удовлетворительных погодных условиях на протяжении шести-восьми дней. Такие серии наблюдений окончательно превращались в одну группу, соответствующую средней дате эпохи; некоторые серии из них изображены на рис. 19.22.

Единственное, что должен был делать наблюдатель, — это замечать и объявлять положение центральной черной полосы относительно начальной точки отсчета, в десятых долях ширины полосы, со знаком «+» или «-», в тот момент, когда прозвучит сигнал электрического зуммера. Ассистент записывал эти показания в том же порядке, начиная от отсчета, соответствующего северному или другому замеченному азимуту, как показано на рис. 19.8, на котором записаны реальные наблюдения, проведенные на Маунт Вилсон 23 сентября 1925 г. Наблюдатель не обращал внимания на азимут. Отсчет определялся мгновенно по визуальной оценке; совершенно непрактично применять какие-либо шкалы в поле зрения, потому что ширина полос подвержена небольшим вариациям. То, что такой метод достаточен, показано с помощью постоянства и систематической периодичности кривых, изображающих результаты наблюдений. Числовое значение, использованное как результат «одиночного наблюдения», есть среднее для сорока таких отсчетов; функция периодична каждые полоборота, и точность ее определения приближается к сотым долям полосы.

Когда проводились наблюдения, ни наблюдатель, ни тот, кто записывал отсчеты, не могли даже в самой малой степени так или иначе привнести какую-либо периодичность как в значения, так и в направление любого периодического эффекта; проведение наблюдений совершенно не зависит от чего бы то ни было и является простой механической операцией. То, что это так, станет очевидно из анализа данных, отражающих отсчеты, записанные в таблице на рис. 19.8 и на рис. 19.9.

[править] Обработка интерферометрических наблюдений

Рис. 19.8. Форма записей наблюдений эфирного ветра
Рис. 19.9. Интерферометрические отсчеты и их последовательная обработка для выделения влияния эфирного ветра

Обработка серий отсчетов проводится обычным арифметическим способом. В записи на рис. 19.8 по горизонтальным линиям фиксируются шестнадцать отсчетов за один оборот интерферометра, первый отсчет соответствует направлению телескопа на север; в таблице показаны отсчеты для двадцати оборотов. Семнадцатое число в конце каждой строки соответствует первому отсчету следующей после нее строки или оборота; если проведена регулировка полос, то это число является началом отсчетов для последующего оборота до проведения регулировки. В каждой колонке 20 чисел суммируются соответственно с учетом знаков «+» или «-». При идеальных условиях все числа одной колонки, в том числе и в 17-й колонке, должны быть целыми числами, но в действительности всегда имеется сдвиг системы полос по отношению к начальной точке отсчета. Этот сдвиг принимается за стабильный линейный процесс на протяжении времени одного оборота или около двадцати пяти секунд, что эквивалентно представлению о том, что периодическое смещение полос вызвано наклоном оси. Компенсация сдвига осуществляется прибавлением к сумме чисел 17-й колонки такого числа, которое сделало бы ее равной сумме чисел первой колонки, а затем прибавлением к сумме первой колонки 1/16 этого числа, к сумме второй колонки — 2/16 и т. д., это исправляет наклон числовой оси. Эти исправленные суммы в 16 колонках отсчетов делятся на 20 — число записанных оборотов, давая усредненное положение центральной черной интерференционной линии для каждого из 16 азимутов полного оборота прибора. Далее средняя ордината вычитается из ординаты каждой точки, и теперь эти точки, будучи нанесены на график, дадут кривую смещения полос, приписываемую определенному времени.

Для того чтобы определенно выявить скорость эфирного ветра, эта серия из 16 усредненных отсчетов положений интерференционных полос подвергается механическому гармоническому анализу, будучи предварительно нанесенной на график с широкой шкалой, чтобы точнее выделить вторую гармоническую составляющую, которая отражает полупериодический эффект эфирного ветра второго порядка; этот процесс проиллюстрирован на рис 19.21 IV. В целях предварительного изучения результатов наблюдений удобно получить приблизительное графическое изображение эффекта с помощью следующей процедуры. Вторая половина строки шестнадцати усредненных отсчетов помещается под первой половиной и в каждой колонке получается среднее от двух чисел; таким сложением уничтожается любой полнопериодический эффект, а также эффект любых нечетных высших гармоник, которые могли присутствовать. Последняя строка из восьми членов, изображающая средние значения ординат полупериодического эффекта вместе с четными гармониками, которые могут присутствовать, получена из сорока серий отсчетов эффекта второго порядка. В верху таблицы на рис 19.8 приведены отсчеты для полного оборота интерферометра, а внизу — для полупериодных эффектов.

Серии отсчетов, проиллюстрированные здесь, не исключение; это типичный пример значений и периодичности смещения полос из-за ветра. Это частичное смещение соответствует скорости эфирного ветра 9,3 км/с. Каждая серия отсчетов показывает вполне определенную периодичность, которая систематически изменяется как по значениям, так и по фазе.

Метод сокращения наблюдений далее проиллюстрирован графическим изображением на рис.19.9, который показывает применение полного процесса к первым пяти оборотам, записи которых приведены на рис 19.8. Отсчеты для пяти оборотов приведены к масштабу в верхней части рисунка. Ниже слева показано суммирование пяти оборотов для 16 азимутов одного полного оборота, в котором периодическое смещение ясно колеблется около снижающейся наклонной оси; еще ниже приведена линейная компенсация сдвига и еще ниже — суммы отсчетов с устраненным сдвигом. Среднее из 16 ординат вычтено из каждой ординаты, давая кривую, отнесенную к своей собственной оси, как показано справа. Ниже показаны две половины полнооборотной кривой, одна ниже другой; еще ниже — половина суммы двух кривых, из которой полнопериодический эффект теперь устранен. Это и есть средний эффект для половины периода, полученный из суммы пяти оборотов; для окончательной оценки ординаты должны быть разделены на пять, это показано изменением масштаба на рисунке. Интересно отметить, что кривые полного оборота и половины оборота получены идентично из соответствующих кривых, полученных из полной серии отсчетов для двадцати оборотов, показанных на рис. 19.8.

[править] Стабильность интерферометра

Стальная крестовина, которая составляет основу интерферометра, обеспечивает замечательную стабильность и надежность. Длина светового пути, прямого и обратного, равна примерно 112.000.000 длинам волн и для получения интерференционных полос в белом свете два световых пути, находящихся под прямым углом друг к другу, состоят из шестнадцати отдельных путей и должны быть равны друг другу с точностью доли длины волны. Различие в длине от пяти до десяти длин волн смещает интерференционную систему полос белого света так сильно, что се нельзя видеть в телескоп, когда регулировка выполнена для широких полос. Винты, используемые для регулировки концевого зеркала № 8, имеют шаг 0,635 мм и поворот винта на 16° создает изменение оптического пути в 100 волн. Эти винты поворачиваются с помощью шпилек, вставляемых в отверстия головок, чем обеспечивается тонкая регулировка. Обычно окончательная регулировка центральной линии к нулевой отметке проводится посредством смещения малого груза на конце плеча крестовины, вызывая изменения в длине за счет изгиба.

В различное время были проведены испытания для определения жесткости стальной крестовины; было показано, что четыре плеча имеют примерно одинаковую жесткость и что груз в 282 г, помещенный на конце одного из плеч, производит удлинение в многократном световом пути, достаточное, чтобы сместить систему полос на одну ширину полосы, меньшую, чем одна стомиллионная доля длины светового пути. Подобные же испытания были проведены и с бетонной базой, использованной для интерферометра в декабре 1924 г. Испытания показали, что 30 г, помещенные на конце плеча, производят смещение на ширину одной полосы; бетонная основа оказалась, таким образом, в десять раз чувствительнее к искривлениям, чем сталь.

Изменение температуры аппарата является главной причиной небольших изменений относительных длин плеч. Полосы белого света, отрегулированные к центру поля зрения, при изменении температуры могут переместиться за пределы поля зрения; однако изменения эти полностью обратимы, и возврат температуры к первоначальному значению возвращает полосы вновь в поле зрения. Не раз бывало так, что в конце рабочего дня полосы находились в поле зрения, и на следующий день после прекращения работ и пребывания в ночной температуре полосы по-прежнему находились в поле зрения без какой-либо подрегулировки. Влияние температуры на прибор столь однозначно, что предусматривался температурный масштаб для положения регулировочных винтов. Изменение температуры на 10° требует изменения поворота винта на 18°, что соответствует изменению дублированного светового пути на 112 длин волн.

Когда аппарат впервые был собран для начала серий наблюдений, для регулировок аппарата применялся натриевый свет. Позже было установлено, что полосы белого света имеют малые потери и нет необходимости вновь обращаться к монохроматическому свету во время периода наблюдений, исключая случаи перемонтажа аппарата. Полосы белого света сохраняют свою регулировку в течение двух недель и более. При завершении наблюдений на Маунт Вилсон в сентябре 1925 г. зеркала и другие оптические части были сняты и упакованы для хранения. Когда наблюдения были возобновлены в феврале 1926 г., зеркала были подполированы и все части перемонтированы; полосы в белом свете были найдены менее чем за одну минуту без применения натриевого света.

С 1927 г. интерферометр был смонтирован на территории Кейсовской школы прикладной науки, около 330 футов (100 м) от проспекта Евклида; проезд уличного транспорта и движение городских автомобилей не мешал наблюдениям. Однако интересно отметить, что звук несовершенных глушителей грузовиков и мотоциклов, которые могли находиться на расстоянии тысячи футов и более, был причиной полного исчезновения полос без малейшей дрожи. За время наблюдений 4 июля 1904 г. выстрелы большого огненного фейерверка, производимые на расстоянии 1200 футов (400 м), вызывали тот же самый эффект. Это происходило вследствие механической вибрации и прохождения звуковых волн через воздух в световой путь интерферометра. В некоторых случаях в наблюдениях, проводимых на Маунт Вилсон, были минуты во время отчетливых сейсмических возмущений, когда на несколько секунд полосы полностью исчезали. После одного такого «землетрясения» или микросейсма оказалось необходимым подрегулировать концевое зеркало на расстояние 20 длин волн. Человек, рубивший деревянный пень в нескольких сотнях футов в стороне, возмущал полосы так же, как и рабочие на высотной дороге, находящейся на расстоянии 3 мили (около 5,5 км); пролет самолета над нами приводил к исчезновению полос.

[править] Наблюдения Морли и Миллера в 1904 г

Рис. 19.10. Интерферометр Морли и Миллера, предназначенный для проверки гипотезы Лоренца-Фицжеральда, 1904 г.

Интерферометр с базой из стальных ферм был впервые применен Морли и Миллером в продолжительной проверке гипотезы сокращения длин Лоренца-Фицжеральда. Для этой цели зеркала были смонтированы так, что расстояние между ними зависело от длины стержней, сделанных из соснового дерева. На двух концах крестовины S и Т (см. рис. 19.6) находятся две вертикальные чугунные рамы, прикрепленные болтами; каждая рама несет на себе четыре зеркала. Напротив углов каждой из этих рам покоятся четыре сосновых стержня диаметром около 2 см и длиной 425 см. Каждый стержень поддерживается по всей длине латунной трубкой диаметром 2,5 см; каждая пара трубок связана друг с другом в виде вертикальной фермы (см. рис. 19.10). Напротив дальних концов деревянных стержней находятся рамы, которые удерживают другие группы зеркал. Каждая из последних рам свободно подвешена на двух тонких стальных лентах и прочно удерживается напротив сосновых стержней и тем самым против одного из двух фиксированных зеркальных держателей; контакт поддерживается с помощью регулируемых спиральных пружин. Таким образом, расстояние между противоположными системами зеркал зависит только от длины сосновых стержней, тогда как вся оптическая система закреплена на стальной крестовине.

Первые наблюдения с этим аппаратом были проведены в июле 1904 г. и составили 260 об. интерферометра, сведенных в две серии. Процедура была основана на том, что ожидался эффект от комбинированного движения Земли — суточного и годового — вместе с предположительным движением Солнечной системы по направлению к созвездию Геркулеса. На дату, выбранную для наблюдений, приходилось два момента времени в сутки, когда результирующая этого движения — около 33,5 км/с — лежала в плоскости интерферометра: 11 ч. 30 мин. дня и 9.00 ч. вечера. Расчетные азимуты движения должны быть различны для этих двух моментов времени, но скорости и наблюдения в эти два момента времени должны быть одинаковы, поэтому они были скомбинированы таким образом, что ожидаемый азимут для дневного наблюдения был соединен с ожидаемым азимутом для вечернего наблюдения. Наблюдения для двух моментов времени дали смещение полос, имеющее положительное значение, но они находились почти в противофазе; когда же они были соединены, их полусумма была почти равна нулю. Этот малый результат был противоположен теоретическому и затем при обсуждении показалось невозможным увязать результаты наблюдений с известным орбитальным движением Земли. Доклад об этих экспериментах, опубликованный в Philosophical Magazine в мае 1905 г., [9] содержит следующее утверждение: «Если основа подвержена всем тем воздействиям, которые ожидались, то и песчаник подвержен тем же воздействиям в той же степени. Можно думать, что этот эксперимент показал, что эфир в капитальной подвальной комнате захватывается ею. Мы считаем поэтому, что аппаратуру нужно поместить на холме, чтобы посмотреть не может ли эффект быть обнаружен там». Две кривые для эфирного ветра, полученные из утренних и вечерних наблюдений в июле 1904 г., показаны на рис. 19.11; они сложены так, как это объяснено выше; нижняя кривая изображает среднее смещение, полученное таким образом, что и является результатом, приведенным в опубликованном отчете по этим экспериментам.

В соответствии с результатами, описанными в настоящей статье ниже, эта процедура 1904 г. оказалась неверной, она была основана на ошибочной гипотезе, исходящей из абсолютного движения Земли. И утренние, и вечерние наблюдения показали наличие эфирного ветра со скоростью около 7,5 км/с; эти смещения полос приведены на рис. 19.4 и сопоставлены со значением, предсказанным новой гипотезой, исходящей из представления о много большей космической скорости движения Солнечной системы.

[править] Наблюдения Морли и Миллера в 1905 г

Рис. 19.11. Метод комбинирования наблюдений эфирного ветра в июле 1904 г., теперь признанный ошибочным. По оси абсцисс — угол поворота интерферометра, одно деление равно 1/16 оборота

В 1905 г. интерферометр был смонтирован во временном строении на склоне Кливлендских Высот, свободном от помех со стороны зданий, на высоте около 285 м. Дом был снабжен стеклянными окнами на уровне интерферометра, чтобы в плоскости дрейфа не находились непрозрачные экраны. Испытания гипотезы сокращения были продолжены; деревянные стержни, которыми определялась длина оптического пути в экспериментах 1904 г., были выброшены, а все зеркальные рамы были прикреплены к стальной основе, так что теперь, наоборот, оптические расстояния определялись сталью. Программа включала также исследования эфирного ветра с аппаратурой на возвышенности и свободной от помех со стороны зданий. Наблюдения были проведены в июле, октябре и ноябре 1905 г., они состояли из 230 об. в трех сериях, показавших определенный положительный эффект, несколько больший, чем был получен ранее, но еще слишком малый, чтобы быть соответственным ожидаемому. Скорость относительного движения Земли и эфира, полученная из наблюдений, проведенных в октябре, составила 8,7 км/с, это показано на рис. 19.4; сравнение с результатами, которые должны ожидаться в соответствии с ныне существующей теорией, показывает почти превосходное согласие. Планировалось проверить различные модификации теорий, но прежде чем они были реализованы, обстоятельства потребовали, чтобы интерферометр был демонтирован. Проф. Морли отошел от активной деятельности, и такой поворот событий вынудил продолжить работы автора настоящей статьи. Показалось желательным перенести дальнейшие наблюдения на возможно большую высоту, но некоторые обстоятельства воспрепятствовали немедленному разворачиванию работы. Появились другие интересы, и хотя надежда на продолжение экспериментов сохранялась, произошла большая задержка.

[править] Появление теории относительности, 1905 г

Теория относительности появилась в то время, когда Эйнштейн опубликовал свою статью «К электродинамике движущихся сред» в ноябре 1905 г. [10]; эта теория была детально развита в последующие годы. Проверка теории относительности, выполненная во время солнечного затмения 1919 г., была широко воспринята как подтверждение теории. Поскольку теория относительности постулировала точно нулевой эффект эксперимента по эфирному ветру, чего на самом деле никогда не было (разрядка моя. — В. А.), автор решился повторить эксперимент, чтобы обеспечить определенный результат. Была подготовлена детальная программа, а фонды, достаточные для того, чтобы покрыть весьма значительные расходы, были очень любезно предоставлены м-ром Экштейном Кейсом из Кливленда.

[править] Эксперименты на Маунт Вилсон, 1921 г

[править] Наблюдения в апреле 1921 г. Стальной интерферометр

Рис. 19.12. Дом с интерферометром на «Эфирных скалах» («Ether Rocks»), Маунт Вилсон

Благодаря любезности Института Карнеги в Вашингтоне интерферометр для обнаружения эфирного ветра был установлен на Маунт Вилсон в марте 1921 г. на фундаменте обсерватории Маунт Вилсона на утесе «Смятый холм» («Rock Crusher Knoll») или «Эфирном утесе» («Ether Rock»), как он будет назван позднее, около участка 100-дюймового телескопа на высоте около 1750 м. Бетонный фундамент покоился на открытой скале холма, и четыре бетонные опоры были сформированы для поддержки железного бака со ртутью на подходящей высоте. Это сооружение было заключено в легкий квадратный домик (рис. 19.12) со стороной 20 футов (6 м) и высотой до конька крыши около 12 футов (3,7 м). Стороны дома были огорожены листами из гофрированного железа, исключая высоту от четырех до семи футов над полом (от 1,2 до 2,1 м), на всех сторонах были непрерывные «окна» из белого брезента. Брезент был прикреплен к ряду рам так, что окна могли открываться на все стороны на уровне интерферометра на ширину 3 фута (90 см). В южном конце находилась небольшая дверь с железной и брезентовой вставками, чтобы уравнять стороны дома. Неровный настил пола был помещен несколько выше скалы; на этом полу была уложена ровная кольцевая дорожка, по которой наблюдатель мог удобно ходить, следуя за интерферометром когда тот медленно поворачивается вокруг своей оси. Конструкция дома предусматривала специальные широкие щели на различных стыках в стенах, в полу и под навесом крыши, так что воздух должен был циркулировать совершенно свободно, чтобы обеспечивать выравнивание температуры с внешним воздухом. Возможность открыть окна на все стороны значительно это облегчала. Для того чтобы обеспечить достаточную темноту при наблюдении полос в дневное время, использовали занавеси из тонкой черной бумаги, которые помещали над брезентовыми окнами и над такими отверстиями и щелями, которые добавляли слишком много света. В дом был проведен электрический свет и в наличии имелось несколько стационарных и переносных ламп. На каждой стене были размещены обычные и прецизионные термометры, и их показания считывались перед началом и в конце каждой серии наблюдений. На самом интерферометре все время находились барограф и термограф. К крыше дома был прикреплен анемометр. На всем продолжении наблюдений были также получены метеорологические записи. Эти обычные вещи применялись во всех последующих экспериментах.

Наблюдения были начаты 8 апреля и продолжались до 21 апреля 1921 г. с помощью аппарата и методов, примененных Морли и Миллером в 1904 и 1905 гг., с определенными модификациями и развитием деталей. Первые наблюдения из шестидесяти семи серий, включающих 350 об., дали положительный эффект, такой, какой был бы вызван реальным эфирным ветром, соответствующим относительному движению Земли и эфира со скоростью около 10 км/с. Прежде чем объявить такой результат, показалось необходимым изучить каждую из возможных причин, которые могли бы произвести смещение полос подобно такому эфирному ветру; среди причин предполагались радиационный нагрев, воздействия центробежных и гироскопических сил, нерегулярные гравитационные эффекты, податливость фундамента, магнитная поляризация и магнитострикция. Чтобы проверить первую причину, металлические части интерферометра были полностью закрыты пробкой толщиной около дюйма; было проведено пятьдесят серий наблюдений, состоящих из 273 об. Наблюдалось периодическое смещение полос, как в первых экспериментах, что показало, что радиационный нагрев не является причиной наблюдаемого эффекта.

[править] Наблюдения в декабре 1921 г. Бетонный интерферометр

Рис. 19.13. Интерферометр с базой из бетона, 1921 г.

Летом 1921 г. стальные фермы интерферометра были демонтированы, и на место — на ртутный плот была установлена база из одного куска бетона (см. рис. 19.13), усиленная латунью. Все металлические части, закрепленные на бетонном основании, были сделаны из алюминия или латуни. Весь аппарат был свободен от магнитных эффектов, а возможные эффекты от тепла сильно уменьшены. В декабре 1921 г. с немагнитным интерферометром было проведено 42 серии наблюдений, состоящих из 422 об. Они показали положительный эффект как влияние эфирного ветра, что полностью соответствовало наблюдениям в апреле 1921 г.

В то время множество вариаций побочных условий было опробовано. Наблюдения были выполнены с центрирующей шпилькой, вставленной в ее гнездо и затем вынутой; с вращением интерферометра по часовой стрелке и против, при быстром вращении (1 об. за 40 с) и медленном вращении (1 об. за 85 с); с тяжелым грузом, добавленным к телескопическому плечу основной рамы и затем к ламповому плечу; с поплавком, чрезвычайно наклоненным благодаря нагрузке сначала на один, а затем на другой квадрант; с записывающим помощником, ходящим кругами в различных квадрантах и останавливающимся в различных частях дома, близко и далеко от аппарата. Результаты наблюдений не зависели от каких-либо из этих обстоятельств.

Было показано, что применение бетонной основы не изменило наблюдаемого для стальной базы эффекта ни по величине, ни по азимуту. Бетонная база была менее, чем стальная, подвержена изменениям размеров при изменениях температуры; но это небольшое преимущество было сбалансировано тем, что температура в бетоне устанавливается медленнее. Учитывая, что бетон был значительно тяжелее, чем стальные части, которые он замещал, он был значительно менее жесток. Испытания показали, что груз в 30 г, помещенный на конец плеча интерферометра, производит смещение полос на ширину одной полосы, в то время как в 10 раз больший груз требуется для возникновения того же эффекта в стальной базе. Бетонная база была отвергнута, и во всех последующих наблюдениях применяли первоначальную стальную основу.

[править] Лабораторные испытания интерферометра, Кливленд. 1922—1924 гг

Рис. 19.14. Интерферометр в лаборатории, 1923 г.

Весь аппарат был возвращен в лабораторию в Кливленд; в течение 1922 и 1923 гг. было сделано множество испытаний в различных условиях, которые можно было контролировать, и со множеством модификаций деталей аппарата. Устройство зеркал и призм было таким, что источник света мог быть помещен вне наблюдательной комнаты (см. рис. 19.14); свет передавался вращающемуся интерферометру вдоль оси вращения. Дальнейшие попытки усовершенствования зеркал для наблюдения полос неподвижным телескопом на практике ничего не дали; необходимость частого регулирования полос в поле зрения показала непрактичность этого метода. Были проведены эксперименты с фотографической регистрацией положений полос как со стационарным фотоаппаратом, так и с движущейся камерой, находящейся на интерферометре. Оказалось, что даже дуговой источник света не обеспечивает достаточного освещения для проведения удовлетворительных фотографических записей без замедления вращения аппарата, большего, чем это допускается нашей методикой всей процедуры, а необходимость частого подрегулирования полос сделала этот метод непригодным. После отказа от использования фотографии на интерферометре был смонтирован астрономический телескоп, имеющий объектив с 13-сантиметровой апертурой и длиной фокусного расстояния 190 см. Объектив был закреплен на стальной базе около полупрозрачного посеребренного диагонального стекла, а окуляр укреплен на конце плеча без обычной трубы для телескопа. При увеличении в пятьдесят раз полосы наблюдались на широкой шкале и с приемлемой освещенностью, так что непосредственный отсчет глазом был вполне удовлетворительным; это устройство применялось во всех последующих наблюдениях.

Были опробованы различные источники света: электрическая дуга и лампы накаливания, ртутная дуга, ацетиленовая лампа, а также солнечный свет. Замена солнечного света и лабораторных источников не изменяла результатов. Окончательно был выбран стационарный источник, помещенный вне комнаты интерферометра или дома, на горе. Это была большая ацетиленовая лампа того типа, который обычно применяют в качестве автомобильных фар. Устройство было использовано в Кливленде в 1924 г. и на Маунт Вилсон в сентябре 1924 и апреле 1925 г. Применение стационарного источника света со светом, вносимым в интерферометр по оси его вращения, потребовал очень тщательной регулировки нескольких последовательно расположенных зеркал, чтобы избежать периодического смещения полос вследствие неаксиальности их выравнивания. Тщательные исследования показали, что лучше всего поместить источник на интерферометре, но вне покрытия и около оси; таким образом, относительное расположение источника и интерферометра сохраняется неизменным. Когда выбрали этот метод, применяли небольшую ацетиленовую лампу — такую, какая была использована в ранних экспериментах. С 9 апреля 1925 г. применялся только этот метод освещения.

Была проведена протяженная серия экспериментов для определения воздействия неравномерности температуры в комнате, где находился интерферометр, и влияние тепла, попадающего на интерферометр. Были использованы некоторые электрические нагреватели с нагревательными спиралями около фокуса вогнутого рефлектора. Неравномерность температуры комнаты является причиной медленного, но постоянного дрейфа системы полос в одну сторону, но она не является причиной периодического смещения. Даже когда два нагревателя были помещены на расстоянии 3 футов (около 1 м) от интерферометра, когда он вращался, и отрегулированы так, чтобы тепло направлялось непосредственно на незакрытую стальную раму, периодический эффект отсутствовал, что было показано измерениями. Когда источники тепла были направлены на воздух оптических путей, закрытых стеклом, периодический эффект мог быть получен только тогда, когда стекло частично было закрыто непрозрачным материалом очень несимметрично, так, как если бы одно плечо интерферометра было полностью покрыто гофрированной бумагой, в то время как другое плечо полностью ничем не защищено. Эти эксперименты доказали, что в условиях реальных наблюдений периодические смещения не могут вызываться температурными эффектами.

[править] Эксперименты в Маунт Вилсон, 1924 г.

Рис. 19.15. Дом с оборудованием для поиска эфирного ветра («Ether-drift house») на горе Маунт Вилсон, 1924—1926 гг.

Для завершения экспериментов, уже описанных, в июле 1924 г. интерферометр был вновь перенесен в Маунт Вилсон. В 1921 г. аппарат был размещен на самой кромке глубокого каньона; опасались, что воздушные течения вверх и вниз по поверхности каньона смогут производить возмущения, и такие, что несимметричные возмущении горного хребта сами будут неблагоприятными. В августе 1924 г. было выбрано новое место на очень небольшом круглом бугорке, удаленном от каньона. В отличие от конструкции 1921 г. дом для интерферометра (рис. 19.15) был сооружен с ориентацией крыши и расположением двери относительно хребта на 90°. Дом представлял собой квадрат со стороной около 22 футов (6,7 м) с расположенными по периметру окнами, как и ранее; но вместо гофрированного железа стены были обшиты досками — материалом, менее усваивающим солнечное тепло. Широкие куски брезента были помещены над всем домом и у конца, чтобы защитить дом от прямых лучей солнца, чем сильно облегчалось проведение наблюдений в дневное время. Интерферометр (см. рис. 19.16) имел усовершенствованные крепления зеркал, защищенные от тепла, телескоп с широким полем зрения и другие устройства, которые были опробованы во время лабораторных испытаний в Кливленде в 1923 и 1924 гг.

Рис. 19.16. Интерферометр для поиска эфирного ветра, использованный в Маунт Вилсон в 1924—1926 гг.

Эта серия наблюдений в сентябре 1924 г. на Маунт Вилсон была предпринята без каких-либо предположений, но со всеми возможными предосторожностями. Длительные лабораторные испытания включали исследования всех возможных инструментальных и внешних возмущений, чтобы ничто не могло повлиять на эксперимент. Метод наблюдения был так отработан, что к тщательности наблюдений не было никаких претензий. Было установлено, что если какие-либо подозрительные возмущения оказывают влияние на предварительные наблюдения и их удалось устранить, то и далее их влияние будет отсутствовать. Такое заключение должно быть признано допустимым с полной уверенностью, и на самом деле почти всегда так оно и было. С другой стороны, если во время таких наблюдений влияние проявлялось, то с ним приходилось, конечно, считаться и в реальности.

4, 5 и 6 сентября 1924 г. была выполнена серия отсчетов, состоящая из 136 об. интерферометра. Все эти наблюдения показали положительное периодическое смещение интерференционных полос, какое и должен производить эфирный ветер, скорость которого составляет около 10 км/с, как и получалось на предварительных испытаниях: Часть из этих наблюдений была проведена при использовании стеклянного ящика, закрывающего сверху оптические пути и с применением обшивки из гофрированной бумаги, которая, как было установлено в Кливлендских экспериментах, исключает влияние радиационного нагрева; при таком покрытии результаты неизменно сохранялись. Эффекты были реальными и систематическими, что исключало какие-либо дальнейшие проблемы.

Несмотря на длительные и непрерывные попытки, оказалось невозможным объяснить наблюдаемые в интерферометре эффекты земными причинами или экспериментальными погрешностями. Были проделаны обширные вычисления с целью примирить наблюдаемые эффекты с известными теориями эфира и предполагаемым движением Земли в пространстве. Наблюдения были повторены в различное время года с тем, чтобы одну за другой проверить различные предлагаемые гипотезы. В конце 1924 г., когда уже казалось, что решение найти невозможно, были проведены полные вычисления для всех часов суток для двадцати четырех моментов времени года применительно к ожидаемому влиянию орбитального движения Земли и видимому движению по направлению к созвездию Геркулеса. Они показали: эффект, который нужно было ожидать, был максимальным в апреле; минимум в апреле должен быть в 2,5 раза больше, чем эффект во время сентябрьских наблюдений; максимальный эффект в апреле должен быть в 4,5 раза больше. Кроме того, смещение было максимальным в сентябре при северном направлении все время суток, в то время как в апреле азимут максимума должен поступательно перемещаться вокруг горизонта; максимальное значение достигается в полночь при направлении точно на восток, а затем в полдень при направлении точно на запад. Для подтверждения этих предсказаний были проведены наблюдения на Маунт Вилсон 17 марта и 10 апреля 1925 г. Смещение полос осталось постоянным по величине, но не большим, чем смещения, полученные в предварительных наблюдениях; направление, при котором смещение было максимальным, не проходило все компасные точки, за 6 ч также не менялось направление эффекта на 90°. Вместо этого направление только колебалось назад и вперед в пределах угла около 60°, имея, в общем, северное направление, как и раньше. Это доказывало, что предположения об абсолютном движении Земли, на которых базировались эти вычисления, были неправильными.

[править] Примечания

  1. A.A.Michelson // Phil.Mag. 1882. Vol.13. N 5. P. 236; Am.J.Sci. 1882. Vol. 3. P. 395; H.A.Lorentz//Astrophys.J. 1928. Vol.68.P.345;Thos.Preston. Theory of Light, 5th ed. 1928. Vol. 279. P.566; R.W.Wood // Physical Optics. 2nd ed. 1911. Vol.265. P.672.
  2. 2,0 2,1 W.M.Hicks // Phil. Mag. 1902. Vol. 3. № 6, 9. P.256; Nature 1902. Vol.65. P.343; E.W.Morley, D.C.Miller // Phil. Mag. 1905. Vol. 9. № 6. P.669; A.Righy // Comptes Rendus 1919. Vol. 168. P.837; 1920. Vol. 170. № 497. P. 1550; 1920. Vol. 171. P.22; E.R.Hedrick // Astrophys.J. 1928. Vol.68. P.374.
  3. A.A.Michelson // Am.J.Scl. 1881. Vol.22. № 3. P.20.
  4. A.A.Michelson, E.W.Morley // Am J.Sci. 1887. Vol.34, N 3. P.333; Phil.Mag. 1884. Vol.24. № 5. P.449; J. de Physique 1886. Vol.7. № 2. P.444.
  5. G.F.Fitzgerald, see О.J.Lodge. Aberration Problems // Phil. Trans. Roy. Soc. 1894. Vol.184. P.749.
  6. Sir Oliver Lodge. Past Yeares. 1932. P.204.
  7. H.A.Lorentz. Vorsuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Korpern. Leyden. 1893; Theory of the Electron. 1909. P. 195.
  8. Lord Kelvin. Rapports presetes au Congres International de Physique. 1900. Vol.2. P.l.
  9. E.W.Morley, D.C.Miller // Phil. Mag. 1905. Vol.9. № 6. P.680; Proc. Am. Acad. Sci. 1905. Vol.41. P.321.
  10. A.Einstein //Ann. d. Phys.. 1905. Vol.17. P.891.

Это начало статьи. Продолжение см. Д.К.Миллер. Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли. Часть 2. 1933 г.


Из сборника «Эфирный ветер». Сб. статей/Под ред. — В.А.Ацюковского. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — 288 с. — ISBN 5-283-04990-6; М.: Энергоатомиздат, 2011. 419 с. ISBN 978-5-283-03319-8 - Скачать в формате PDF 33,8 Мб.

Эфирный ветер. ПредисловиеДж.К.Максвелл, 1877Дж.К.Максвелл, 1879А.Майкельсон, 1881А.А.Майкельсон, Э.В.Морли, 1887Э.В.Морли и Д.К.Миллер, Лорду Кельвину, 1904Э.В.Морли, Д.К.Миллер, 1905А.Эйнштейн об эфиреА.А.Майкельсон, 1925А.А.Майкельсон, Генри Г.Гель, при участии Ф.Пирсона, 1925Д.К.Миллер, 1925А.К.Тимирязев, 1926Д.К.Миллер, 1926А.К.Тимирязев, 1927Рой Дж. Кеннеди, 1926К. К. Иллингворт, 1927 • Конференция в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г. (Введение 1 2 3 4 5 6 7 8) • Е.Стаэль, 1926А.Пиккар, Е.Стаэль, 1927А.А.Майкельсон, Ф.Г.Пис и Ф.Пирсон, 1929Ф.Г.Пис, 1930 • Д.К.Миллер, 1933 (Часть 1 Часть 2) • Г.Йоос, Д.К.Миллер, 1934Дж.П.Седархольм и др., 1958Дж.П.Седархольм, Ч.Х.Таунс, 1959Ю.М.Галаев, 2011Е.И.Штырков, 2007В.А.Ацюковский. Эфирный ветер: проблема, ошибки, задачиПараметры эфира в околоземном пространстве

Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Сборник «Эфирный ветер»
Инструменты