Чтение онлайн

Так Гамильтон построил математическую теорию оптических явлений, не связанную ни с эфиром, ни с корпускулами. Но физики не могли избежать вопроса — что же такое свет?

Френелевская гипотеза упругости эфира породила вопрос: неподвижен ли эфир? Или он неподвижен только в пустом пространстве, а та его часть, что проникает внутрь материальных тел, движется вместе с ними?

Араго проделал простой опыт, наблюдая преломление света, приходящего от звезд. Оказалось, что вопреки корпускулярной теории, которой он придерживался, движение Земли не влияет на преломление света.

Араго попросил Френеля рассмотреть задачу: совместим ли этот результат с волновой теорией света? Френель ответил, что результат согласуется с волновой теорией, если признать, что эфир увлекается веществом лишь частично. Это значит, что движущееся тело увлекает не весь содержащийся в нем эфир, а лишь его избыток.

Вспомним, что для объяснения преломления света Френель предположил, что эфир, проникая внутрь прозрачных сред, уплотняется. Это значит, что внутри прозрачных тел имеется избыток эфира по сравнению с его количеством, находящимся в равновеликом объеме пустого пространства. Чем больше в данном теле избыток эфира, тем больше преломляющая способность этого тела, тем меньше в нем скорость распространения света. Отвечая Араго, Френель был вынужден принять, что движущееся тело увлекает с собой только избыток находящегося внутри него эфира.

Мысль Френеля о частичном увлечении эфира движущимся телом подтверждает и эффект Допплера. Австрийский физик Х. Допплер показал, что при приближении источника света к наблюдателю период колебаний света кажется меньшим, чем для неподвижного источника. Напротив, при удалении источника период колебаний света кажется большим (обычно говорят соответственно о «фиолетовом» и «красном» смещении, то есть об изменении цвета в сторону фиолетового или красного концов видимого спектра).

Заметим, что эффект Допплера наблюдается и в акустике как повышение или соответственно понижение тона гудка паровоза, проходящего мимо наблюдателя.

Гипотезу частичного увлечения эфира оспаривал английский физик и математик Д. Стокс. Он, среди прочего, разработал теорию вязкости жидкостей и рассмотрел процесс движения твердых тел в таких жидкостях. На основе этой теории Стокс склонялся к идее о том, что эфир полностью увлекается движущимся веществом, но при удалении от движущегося вещества скорость эфира постепенно уменьшается до нуля.

Теперь пора вспомнить английского астронома Д. Брадлея и его замечательное открытие. История этого открытия прослеживается со времени Коперника. Считалось, что годичное движение Земли должно сопровождаться регулярным смещением видимого положения звезд на небе. Многие астрономы пытались его обнаружить, но тщетно. Лишь Гук, убежденный в том, что это смещение должно существовать, объявил о том, что он его обнаружил. Причина этого ожидаемого смещения совпадает с кажущимся смещением предметов, когда их наблюдают то одним, то другим глазом. Такое смещение называют параллаксом. Сейчас его применяют в приборах для измерения расстояния — дальномерах.

Брадлей тоже поставил целью обнаружить это «параллаксическое смещение». В его время уже было ясно, что смещение очень мало. Поэтому он тщательно готовился к наблюдениям. Он воспользовался хорошим телескопом, построенным его приятелем С. Молине. Они установили телескоп почти вертикально, так, что одна из звезд созвездия Дракона появлялась в поле зрения каждый раз, когда проходила через меридиан. Были приняты все возможные меры, чтобы телескоп не менял своего положения в течении года.

Первые наблюдения были проведены 14 декабря 1725 года. Уже 28 декабря Брадлею показалось, что он заметил небольшое перемещение звезды на юг. 1 января смещение звезды наблюдалось совершенно надежно. 13 марта звезда достигла крайнего положения и начала смещаться к северу. В сентябре она снова изменила направление движения и постепенно возвратилась в исходное положение.

Казалось, Брадлей должен торжествовать. Ведь он ожидал, что наблюдая видимое положение звезды с различных точек орбиты Земли, он будет воспринимать результат наблюдения, как смещение звезды относительно оси телескопа. Но он умел критически относится к результатам наблюдения. Он сразу обнаружил нечто неожиданное: звезда изменяла направление движения тремя месяцами позже, чем если бы смещение происходило вследствие параллакса.

Тогда Брадлей предположил, что видимое смещение звезды связано с колебаниями земной оси, но и эта гипотеза была отвергнута наблюдениями. Исследования продолжались еще два года. В это время Брадлей выдвинул и отверг несколько гипотез.

Вскоре Брадлей установил собственный телескоп, при помощи которого он мог видеть регулярные смещения еще нескольких звезд. Сопоставляя результаты наблюдения всех звезд, доступных его телескопу, Брадлей внезапно понял, что происходит.

Он видел результат, проистекающий из наложения двух явлений — годичного движения Земли и конечной величины скорости света.

Это легко понять из простого примера. На якоре стоит корабль. Внезапно его навылет пробивает снаряд. Взглянув через два отверстия, вы увидите стрелявшую пушку. Пусть теперь корабль движется перпендикулярно направлению выстрела. Когда он поравняется с пушкой, она вновь стреляет. Но за то время, пока снаряд летит от одного борта к другому, корабль перемещается так, что выходная пробоина оказывается смещенной относительно входной. В результате этого прямая, проведенная через них, пройдет мимо пушки.

Видимое смещение звезды вызвано движением телескопа (вместе с Землей) за то время, пока ее свет преодолевал расстояние от объектива телескопа к его окуляру. Если бы скорость света была бесконечно большой, это смещение (его называют аберрацией света) было бы равно нулю.

Вычисления Брадлея показали, что скорость света почти в десять тысяч раз превышает орбитальную скорость Земли. Прекрасная точность для того времени! Вспомним, что из наблюдений движения спутников Юпитера датский астроном О. Ремер вычислил скорость света и оценил время прохождения света от Солнца до Земли величиной, лежащей между 8 и 11 минутами. Оценки Брадлея дают для этого времени величину 8 минут 13 секунд, что очень близко к современному значению.

Брадлей не удовлетворился своим замечательным открытием. Он продолжал измерения смещения звезд, вызванного параллаксом. Его результат: величина параллакса менее половины угловой секунды. Это полностью опровергло претензии Гука, сообщившего, что он наблюдал параллакс величиной в 30 угловых секунд.

Как видно из нашего примера с кораблем, простреливаемым пушкой, явление аберрации света легко объясняется корпускулярной теорией Ньютона.

Что может сказать по этому поводу волновая теория?

Ответ прост. Результат будет таким же. Величина аберрации определяется временем прохождения световых волн внутри телескопа и, конечно, скоростью движения Земли.

Но, внимание!

Если бы эфир полностью увлекался движением Земли и был неподвижен относительно телескопа, аберрация была бы равна нулю.

Явление аберрации света указывает на то, что светоносный эфир не участвует в движении телескопа.

Первая попытка проверить в лаборатории факт увлечения движущимся веществом содержащегося в нем эфира была предпринята в 1851 году французским физиком А. Физо. В его приборе наблюдению подлежала интерференция двух лучей света. Один из них проходил сквозь столб воды в направлении ее течения, а второй навстречу течению воды. Если вода увлекает эфир, то интерференционные полосы должны были смещаться по сравнению с их положением, наблюдаемым при неподвижной воде. Опыт подтвердил гипотезу Френеля о частичном увлечении эфира движущейся водой.

Вывод Физо был подтвержден другими исследователями, но еще один опыт привел к противоположному результату.

Замечательный американский оптик-экспериментатор А. Майкельсон в 1881 году решил определить скорость движения Земли относительно эфира. Скорость обращения Земли вокруг Солнца была хорошо известна астрономам. Она в среднем равна 30 километрам в секунду, что в десять тысяч раз меньше скорости света. Но Майкельсон незадолго до этого изобрел замечательный прибор — интерферометр, — теперь носящий его имя. И он решил его использовать в своем эксперименте.