Самый знаменитый провалившийся эксперимент перевод

Мы любим научные успехи – люди, эксперименты и теории, которые рассказывают о новых феноменах, законах физики и способах зарождения Вселенной. Но эти достижения рождаются не в вакууме. Они происходят потому, что существует необходимость в изобретении чего-то нового тогда, когда текущие наши представления уже не могут объяснить некий феномен или результат. Вопрос этой недели:

А ты писал что-нибудь про «Самый знаменитый провалившийся эксперимент» Майкельсона-Морли? Мне кажется, что он очень важен для понимания процесса развития науки, и он начал волну исследований, приведших к квантовой механике и особой теории относительности.

Не писал, а ведь должен был. Давайте для начала вернёмся ко второй половине 19-го века.

Гравитация стала первой из изученных сил, когда Ньютон выдвинул в 17-м веке свой закон всемирного тяготения. Он объяснил движения тел на Земле и в космосе. Через несколько десятков лет, в 1704 году, он также выдвинул корпускулярную теорию света, которая утверждала, что свет состоит из частиц, что они твёрдые и не имеют массы, и что они двигаются по прямой, если только что-либо не заставит их отразиться, преломиться или дифрагировать.

Это объяснило множество наблюдений, в частности, что белый свет является комбинацией множества других. Но со временем эксперименты показали волновую природу света, подтверждая альтернативное объяснение от современника Ньютона, Христиана Гюйгенса.

Гюйгенс предположил, что каждая точка, которую можно считать источником света, включая все точки продвигающейся прямолинейно волны, ведёт себя как волна со сферическим фронтом, исходящая из каждой из этих точек. И хотя многие эксперименты согласовывались с обеими теориями, некоторые из них, проведённые в 1799 году, начали демонстрировать силу волновой теории.

Изолируя разные цвета и пропуская их через одиночные и двойные щели или решётки, учёные наблюдали картины, которые могут получаться только в случае волновой природы света, который вёл себя подобно волнам на воде.

Но, как известно, волны передвигаются в воде. Если убрать воду, не будет и волн. Это было одинаково верно для всех известных явлений: например, звук также требует среды для передвижения. Если убрать всю материю, не остаётся среды для звука – отсюда и выражение «В космосе не слышно криков».

Поэтому, раз свет является волной, хотя и электромагнитной, как продемонстрировал Максвелл в 1860-х, у него тоже должна быть некая среда, по которой он распространяется. Никто не мог её найти, но ей всё равно дали название: светоносный эфир.

Сейчас звучит глупо, не правда ли? Но идея не была плохой сама по себе. У неё были все признаки отличной научной идеи, поскольку её не только построили на предыдущих научных достижениях, но она также выдала и предсказания, которые можно было проверить.

Представьте, что вы кидаете камень в реку, и наблюдаете за волнами. Волны, идущие по направлению к берегам, будут двигаться с определённой скоростью.

А что же волны, идущие вверх по течению? Они будут двигаться медленнее, поскольку среда, по которой они передвигаются, то есть, вода – движется! А волны, двигающиеся по течению, будут двигаться быстрее, по той же причине.

И хотя светоносный эфир никогда не был обнаружен, был предложен гениальный эксперимент, разработанный Альбертом Майкельсоном, который применил тот же принцип к свету.

Хотя мы не знали, как эфир ориентирован в пространстве, каково его направление и как он двигается, или что по отношению к нему покоится — мы могли предполагать, что он абсолютен. Он существует независимо от материи, поскольку свет способен передвигаться и в вакууме.

Поэтому, в принципе, измерив скорость, с которой свет двигается, когда Земля движется «по течению» или «против» (или перпендикулярно к потоку эфира), вы можете не только обнаружить существование эфира, но и найти неподвижную систему координат Вселенной! К сожалению, свет передвигается со скоростью 186282 миль в секунду (а Майкельсон считал, что со скоростью 186350 ± 30 миль в секунду), а орбитальная скорость Земли составляет всего 18,5 миль в секунду. В 1880-х годах такие скорости измерить было проблематично.

Но Майкельсон придумал хитрость.

В 1881 году он разработал гениальный прибор, известный сейчас как интерферометр Майкельсона. Его принцип был основан на том, что свет, состоящий из волн, интерферирует сам с собою. Если мы возьмём световую волну, разделим её на две перпендикулярные компоненты (которые, следовательно, будут двигаться по-разному по отношению к эфиру), и проведём их на равное расстояние, а затем отразим обратно друг навстречу другу, мы будем наблюдать сдвиг в интерференционной картине, которую они создадут.

Если весь прибор по отношению к эфиру неподвижен, что сдвига в интерференционной картине быть не должно, но если он двигается в одном направлении не так, как в другом, то мы получим сдвиг.

Изначальный прибор не смог определить сдвиг – но с длиной пути в 1,2 метра сдвиг должен был составить 0,04 интерференционной полосы, что превышало предел того, что он мог измерить своими инструментами (предел был порядка 0,02). Также была мысль, что эфир покоится – например, что Земля увлекает его за собой (хотя он и не мог быть абсолютно статичен, об этом говорили наблюдения звёздных аберраций), поэтому он проводил эксперимент много раз за день, поскольку вращающаяся Земля должна была быть по разному расположена по отношению к эфиру.

Отсутствие результата не убеждало. За последующие шесть лет он разработал интерферометр в 10 раз больше и в 10 раз точнее вместе с Эдвардом Морли, и они вдвоём провели новый эксперимент в 1887, который стал известен как эксперимент Майкельсона-Морли. Они ожидали сдвиг интерференции в 0,4 с точностью измерений в 0,01.

А благодаря интернету можно найти и изначальные результаты измерений:

Отсутствие результата, показавшее, что никакого светоносного эфира не существует, стало большим шагом в науке. Оно означало, что свет должен принципиально отличаться от всех других известных волн. Решение нашлось через 18 лет, когда появилась специальная теория относительности Эйнштейна. Вместе с ней пришло понимание, что скорость света является универсальной константой во всех системах отсчёта, не было абсолютного времени или абсолютного пространства, и что свету для передвижения нужны лишь пространство и время.

Эксперимент, и работы Майкельсона, были настолько революционными, что он, насколько я знаю, стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего бы то ни было!