Десять самых красивых экспериментов в истории науки - [29]
По тем временам невероятно смелая идея. И Кеплер, и Декарт были уверены, что свет движется с бесконечно большой скоростью. Однако утверждение Рёмера ждало своего подтверждения почти полвека, когда английский астроном Джеймс Брэдли открыл явление, получившее название аберрации звездного света. Наблюдая за Гаммой Дракона, он обнаружил, что эта звезда блуждает, смещаясь к югу в период с сентября по март, а затем снова возвращаясь к северу. Отвергнув много вариантов, он наконец нашел объяснение этому феномену: к тому моменту, когда свет от звезды достигает его, Брэдли, телескопа, Земля меняет свое положение. Астроном должен вести себя с телескопом подобно охотнику, целящемуся с упреждением в утку. На основе данных, полученных Брэдли, удалось определить, что свет движется со скоростью 294,5 тысячи километров в секунду.
В 1849 году французский врач Арман Ипполит Луи Физо произвел более сложные измерения, воспользовавшись усовершенствованной идеей Галилея с мигающими фонарями. Из дома, находящегося в западном пригороде Парижа, он направил луч света на зеркало, установленное на вершине Монмартра и отражающее пришедший луч в обратном направлении. На пути луча установили быстро вращающееся зубчатое колесо, на котором было 720 аккуратно вырезанных зубцов. Скорость вращения сделали такой, чтобы подаваемый и отраженный свет попадали в зазор в окружности колеса и на окуляре. Физо свет казался «светящейся точкой наподобие звезды». Ускорение или замедление вращения колеса приводили бы к тому, что круглое пятно света исчезло. По длине пути света и скорости вращения Физо рассчитал, что скорость света должна быть равна 315,4 тысячи километров в секунду.
Тринадцать лет спустя его конкурент Леон Фуко усовершенствовал эксперимент, заменив зубчатку вращающимся зеркалом, установленным под определенным углом. Поскольку зеркало вращается, то падающий и отраженный свет несколько смещаются на его поверхности. Измерив это небольшое смещение, удалось рассчитать, что свет движется со скоростью 297,7 км/с.
Похоже, что Майкельсон все это изучил в Военно-морской академии Аннаполиса, где он оказался в 1869 году, проделав весьма сложный путь. Он был старшим сыном польских иммигрантов, которые сначала осели в Калифорнии, где его отец открыл мануфактурную лавку в лагере золотоискателей. Затем «серебряная лихорадка» увлекла их в Неваду. Там, закончив среднюю школу, Альберт решил поступать в Военно-морскую академию. Не получив помощи в поступлении от конгрессмена своего штата, он отправился поездом в Вашингтон и уговорил президента США Улисса Гранта вмешаться* В 1874 году Майкельсон уже плыл курсантом на борту американского военного корабля «Ворчестер», а вскоре преподавал физику и химию в Аннаполисе. Именно там он встретил Маргарет Хеминуэй, племянницу офицера, который был начальником кафедры физики, и дочь магната с Уолл-стрит. Они поженились в 1877 году, а год спустя, получив от тестя две тысячи долларов, Майкельсон стал готовиться к своему первому большому эксперименту.
В опыте Фуко по измерению скорости света отклонение пучка на вращающемся зеркале составило менее одного миллиметра, т. е. расстояние, которое было очень трудно измерить. Майкельсон знал, что если путь светового пучка многократно удлинить (у Фуко свет пробегал всего двадцать метров), то время его распространения тоже возрастет. Отраженный пучок достигнет зеркала позднее, отклонение станет больше, и скорость света можно будет измерить с большей точностью.
Он начал с того, что установил два зеркала — одно вращающееся и одно стационарное, разнеся их на 600 метров по северной набережной кампуса. Чтобы точно измерить расстояние между зеркалами, он использовал рулетку, градуированную по эталону ярда. Протянув ленту рулетки вдоль пирса и выровняв ее свинцовыми гирями, а также обеспечив ее равномерное натяжение, он сделал несколько замеров. Введя поправки на тепловое расширение и сжатие, Майкельсон определил, что расстояние между зеркалами равно 605,4 метра.
Такая точность нужна была везде. Для определения положения стационарного зеркала, которое должно было отражать световой луч на длинной его траектории, он взял телескоп и геодезический прибор, известный как теодолит. Для определения скорости вращающегося зеркала он использовал электрический камертон, который тщательно настроил по эталону. Небольшое стальное зеркало крепилось к одному из элементов вилки камертона. Оно должно было отражать вращающееся устройство. Когда частота вибрации совпадала со скоростью вращения, стробоскопическое изображение замирало.
