П. А. Попов

Материалы к докладу на НТК МТУСИ.

Москва, 1994

Рецензенты: Ю. Г. Мамиконов, канд. техн. наук, доцент;

В. Н. Репинский, канд. техн. наук, доцент.

1. Введение. Всем известно, что звук — это колебания воздуха, которые передаются от одной частицы среды к Другой. В пустоте (вакууме) звук распространяться не может. В этом смысле, по отношению к звуковым колебаниям, воздух является средой-переносчиком или средой-носителем.

Известно также, что свет, радиоволны, лучи Рентгена представляют собой электромагнитные колебания. А что служит для них средой-носителем? Со времени опубликования "Трактата о свете" X. Гюйгенса (1690 г.) считалось, что световые волны распространяются в некой гипотетической (предполагаемой) среде, которая заполняет все мировое пространство и проникает во все тела. Эту среду Гюйгенс назвал светоносным эфиром.

После того, как Д. К. Максвелл доказал электромагнитную природу света, эфир из "светоносного" стал носителем электромагнитных колебаний.

После математической обработки измерений Майкельсон пришел к выводу, что искомый эффект (эфирный ветер) не обнаружен. Этого никто не ожидал. Получалось, что световые колебания существуют при отсутствии среды-носителя! Но авторитет Майкельсона-экспериментатора уже в то время был достаточно высок. Концепция эфира была поставлена под сомнение и со временем полностью исключена из научного обихода усилиями теоретиков, принявших на вооружение специальную теорию относительности А. Эйнштейна.

Конец сопротивлению сторонников эфира положила естественная смена поколений на рубеже между первой и второй мировыми войнами.

Данная брошюра посвящена анализу эфирных опытов Майкельсона и его последователей. Надо ли снова обсуждать вопрос, который в современной физике считается окончательно решенным? В качестве ответа приведем высказывание акад. А. А. Логунова; "Детальный творческий анализ классических работ иногда может вскрыть незавершенность идей, а порой и глубокие заблуждения, а это всегда может быть источником нового направления исследований" [2, с. 5].

От всех других книг и публикаций об эфирных опытах брошюра отличается следующими особенностями:

1. Здесь приведены протоколы измерений, выполненных первопроходцами. Читатель сможет воочию убедиться, что таблицы, даже при беглом рассмотрении, свидетельствуют скорее о существовании эфира, чем о его отсутствии.

2. Будет показано, что экспериментаторы неправильно истолковывали (объясняли) наблюдаемую интерференционную картину. Это повлекло за собой выбор неправильной процедуры математической обработки протоколов измерений. В результате был полностью исключен из расчетов основной (зафиксированный прибором!) эффект эфирного ветра и получен ошибочный вывод об отсутствии последнего.

3. Исходя из правильного понимания показаний интерферометра, мы заново рассчитаем скорость эфирного ветра по опубликованным в свое время протоколам опытов Майкельсона, Майкельсона и Морли, Иллингворта и, наконец, Миллера и убедимся, что она составляла около 10 км/с.

Читатель легко проверит расчеты, поскольку применяемый математический аппарат, как и в статьях первопроходцев, не выходит за пределы школьной алгебры.

Отзывы и замечания просьба посылать по адресу:

Повторим этот опыт на берегу реки или канала с текущей водой. Как и в предыдущем случае, возникнет система круговых волн с центром в месте падения камешка. Но теперь, на поверхности текущей воды, вся эта система не только разбегается от центра, но вместе с последним перемещается вдоль берега со скоростью течения.

Легко видеть, что скорость волны относительно наблюдателя на берегу (точнее, относительно системы отсчета, жестко связанной с берегом, в которой покоится наблюдатель, стоящий на берегу) равна сумме скорости волны относительно среды-носителя (воды) и скорости этой среды относительно наблюдателя.

3. Волны в воздухе. Отмеченный выше принцип сложения двух скоростей соблюдается и в случае акустических колебаний.

Представим себе, что неподвижный наблюдатель в открытом поле в ветренную погоду слышит звук выстрела. Известная из физики величина 340 м/с есть скорость звука относительно среды-носителя (атмосферы) при нормальных температуре и давлении. Ветер, в свою очередь, есть не что иное, как движение этой среды. Поэтому и в случае акустических колебаний скорость волны относительно наблюдателя является суммой скорости волны относительно среды-носителя и скорости этой среды относительно наблюдателя.

4. Волны в эфире: гипотеза или реальность? Эфирный опыт Майкельсона имел целью проверить принцип сложения скоростей для случая электромагнитных колебаний эфира. Существенно, что ко времени постановки этого опыта гипотетический эфир Гюйгенса успел дважды вполне убедительно заявить ученым о своем существовании:

1. В 1728 г. было открыто явление астрономической аберрации света. С позиций волновой теории света оно означало, что скорость света далекой звезды относительно системы отсчета, связанной с Землей, оказалась равной сумме скорости света относительно мировой светоносной среды (эфира) и скорости этой среды относительно упомянутой земной системы отсчета.

Иными словами, явление аберрации светового луча свидетельствовало, что эфир, подобно воде и воздуху, является средой, с которой можно связать инерциальную систему отсчета. Заметим, что именно эту возможность отвергает специальная теория относительности без малого через два столетия после открытия аберрации.

2. В 1851 г. Физо осуществил опыт по измерению скорости света в движущейся жидкости и подтвердил гипотезу Френеля о частичном увлечении эфира движущимися телами.

Теперь мы знаем больше. В начале века наш соотечественник А. Эйхенвальд выполнил серию тонких экспериментов по измерению магнитного поля движущихся зарядов и пришел к выводу: "...эфир внутри тел совсем не участвует в их движении, стоит неподвижно, а движутся только поляризованные молекулы материального тела" [3, с. 678].

5. Неожиданный кризис концепции эфира. Явление астрономической аберрации и результаты опыта Физо позволяли почти не сомневаться в положительном результате поиска эфирного ветра.

Однако после математической обработки протоколов измерений 1881 года Майкельсон пришел к выводу, что движение светоносной среды относительно Земли (эфирный ветер) практически отсутствует.

Этот вывод был не просто неожиданным для всего ученого мира (включая самого экспериментатора). Гораздо важнее то, что он оказался совершенно несовместимым с явлением аберрации и результатом опыта Физо.

Действительно, первое свидетельствовало о существовании космической светоносной среды, имеющей определенную скорость относительно Земли. Правда, можно было предположить, что эта среда в непосредственной близости от Земли увлекается ею и является неподвижной относительно земной поверхности (гипотеза Стокса), Но такое предположение опровергалось результатом опыта Физо: по Физо, увлечение эфира атмосферной оболочкой Земли (с учетом численного значения коэффициента преломления воздуха) практически отсутствует.

Итак, предшественники Майкельсона обнаружили светоносную среду, нашли ее скорость относительно Земли (30 км/с) и установили факт неувлекаемости этой среды Землей. А убедительный по замыслу и выполнению эксперимент Майкельсона этой среды не обнаружил.

В важном разделе физики сложилась ситуация, которую проф. Аахенского университета Хопф охарактеризовал как Notlage — кризис или, буквально, бедствие [15, с. 77].

6. Пути выхода из кризиса. Сегодня легко заметить одну общую особенность основных предложенных концепций выхода из кризиса: они, словно по уговору, направлены на "теоретическое" оправдание вывода Майкельсона, даже если это достигается ценой самых смелых и не проверенных экспериментально предположений. Напомним эти концепции,

1. Фитцджеральд и Лоренц, независимо Друг от друга, предложили гипотезу о сокращении длины всех движущихся тел, развитую в дальнейшем в теорию преобразований Фитцджеральда — Лоренца.

2. А. Эйнштейн сформулировал свои известные постулаты, которые позволили ему создать специальную теорию относительности. При этом концепция эфира как среды, с которой можно связать систему отсчета, оказалась несовместимой с постулатами и была исключена из научного обихода. После этого электромагнитное поле, которое со времен Фарадея и Максвелла считалось состоянием среды (эфира), пришлось назвать специальным видом материи.

7. Загадка эфирного опыта. Рассмотрим цепочку достоверных фактов.

1. В соответствии с принципом действия интерферометра Майкельсона, вращение этого прибора при наличии эфирного ветра должно приводить к смещению интерференционных полос в поле зрения окуляра прибора.

2. После математической обработки отсчетов, снятых со шкалы интерферометра, Майкельсон пришел к выводу об отсутствии эфирного ветра.

3. Вероятно, по этой причине стало традицией при описании опыта указывать, что вращение прибора не приводило ни к какому смещению интерференционных линий.

4. Однако утверждение о неподвижности линий — это не более, чем миф, существующий в воображении рассказчиков. Протоколы измерений свидетельствуют, что вращение прибора в эфирных опытах всегда приводило к отчетливому перемещению линий в поле зрения окуляра.

Налицо явное противоречие между зафиксированой картиной явления и сделанным на ее основе выводом. Для разрешения противоречия логично обратиться к первой журнальной публикации самого Майкельсона. Но сначала — немного об устройстве прибора.

8. Устройство и работа интерферометра. Идея опыта поясняется рисунком 1. Здесь монохроматический ("одноцветный") луч света от источника s с помощью полупрозрачного зеркала а расщепляется на два. Первый проходит сквозь а не меняя направления, достигает зеркала k, отражается от него и возвращается к а. Затем, отразившись от а, идет к лабораторному телескопу f.

Второй луч, отразившись от а, идет под углом 90° к первому, достигает зеркала Ь, отражается от него и, пройдя сквозь а, идет, как и первый, в направлении af.

В окуляре телескопа, при соответствующей регулировке зеркал, наблюдается результат сложения обоих лучей — так называемая интерференционная картина, которая, имеет вид чередующихся темных и светлых вертикальных полос.

Тогда в системе координат, связанной с интерферометром, продолжительность пути первого луча от а до k выразится формулой

t₁' = D/(c - v),

а продолжительность обратного пути — формулой

t₁'' = D/(c+v).

Продолжительность пути первого луча туда и обратно составит

t₁ = t₁'+t₁'' =2Dc/(c² - v²).

Второй луч на пути к зеркалу b и обратно сносится эфирным ветром "вниз" (на чертеже), подобно пловцу, плывущему поперек течения.

Итак, оптическая длина пути второго луча (т. е. путь относительно светоносной среды) выражается формулой

Из сравнения правых частей формул (1) и (2) следует важный для понимания работы прибора вывод:

Разность путей параллельного и перпендикулярного лучей, т. е. правых частей (1) и (2), выражается формулой

При дальнейшем увеличении угла от 180° до 360° весь описанный процесс повторяется, как показывает штриховой график 1 на рис. 2.

Итак, вращение интерферометра при наличии эфирного ветра сопровождается изменением разности оптических длин двух лучей прибора. Как влияет это обстоятельство на интерференционную картину, наблюдаемую в окуляре телескопа?

Отмечалось, что она имеет вид чередующихся светлых и темных вертикальных полос. Изменение разности длин оптических путей приводит к смещению полос в горизонтальном (параллельно самим себе) направлении. Имеет место очень простая зависимость: если разность длин оптических путей изменится, например, на 0,4 длины волны, то картина сместится на 0,4 расстояния между серединами соседних однотонных (т. е. или светлых или темных) полос.

В общем случае, смещение картины, выраженное в интервалах между серединами двух соседних однотонных полос, равно изменению разности длин оптических путей, выраженному в длинах волн света, применяемого в установке. Направление смещения — вправо или влево — зависит от исходной регулировки зеркал.

При описании эфирных опытов сложилась традиция говорить не о "смещении картины", а о "смещении полосы", имея в виду полосу, выбранную при выполнении данного вращения в качестве основной (опорной).

Читая о вращении установки, следует иметь в виду, что она включает в себя крестовину с зеркалами, источник света, лабораторный телескоп и, по сути дела, самого наблюдателя, который перемещается по окружности, не отрывая взгляда от окуляра телескопа.

9. Опыт 1881 года. Итак, год 1881, Германия. Изготовленный по указаниям Майкельсона прибор установлен в каменном подвале Потсдамской (пригород Берлина) обсерватории, Получена интерференционная картина. Майкельсон начинает вращение и... эфирный ветер заявляет о себе. Не может этого быть? Судите сами.

Таблица 1

	N	NE	Е	SE	S	SW	W	N\V
	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)	(8)
1-е вращ.	0.0	0.0	0.0	-8.0	-1.0	-1.0	-2.0	-3.0
2-е вращ.	16.0	16.0	16.0	9.0	16.0	16.0	15.0	13.0
3-е вращ.	17.0	17.0	17.0	10.0	17.0	16.0	16.0	17.0
4-е вращ.	15.0	15.0	15.0	8.0	14.5	14.5	14.5	14.0
5-е вращ.	13.5	13.5	13.5	5.0	12.0	13.0	13.0	13.0
Сумма	61.5	61.5	61.5	(60.0)	58.5	58.5	56.5	54.0

Фрагмент таблицы измерений из статьи Майкельсона 1881 г. [16] мы воспроизводим в виде табл. 1. Пять первых строк этой таблицы соответствуют пяти вращениям (оборотам) прибора вокруг вертикальной оси. Цифры каждой строки означают положение центральной интерференционной полосы, отсчитанное по шкале окуляра. Каждая величина последней строки ("Сумма") является суммой пяти отсчетов своего столбца. Наконец, буквенное обозначение каждого столбца указывает направление объектива телескопа (направление взгляда наблюдателя) или, как принято говорить, азимут отсчетов данного столбца. Очевидно, N — север, NE — северо-восток, Е — восток и т. д. В скобках для удобства приведена цифровая нумерация этих же азимутов и столбцов.

10. Прикидочный расчет Майкельсона. Рассмотренную выше таблицу Майкельсон сопровождает двумя расчетами без буквенной записи формул. Но если обозначить через S_k, сумму отсчетов k-го столбца таблицы, то формулы этих расчетов приобретают вид:

е1,5 = (S₁ – S₃) + (S₅ – S₇) = (61.5 – 61.5) + (58.5 – 56.5) =2.0;

Понять содержание расчетов нам поможет штриховая кривая на рис. 2, если рассматривать номера ее точек от 1 до 8, как обозначения азимутов таблицы 1. Из графика и таблицы следует, что разность (S₁ – S₃) есть пятикратное приращение разности оптических длин двух путей при повороте прибора от азимута 1 к азимуту 3, выраженное в единицах шкалы интерферометра.

Разность (S₅ – S₇) — еще одно, предположительно, такое же по численному значению пятикратное приращение разности оптических длин двух путей, вызванное поворотом прибора от пятого азимута к седьмому. Аналогичный смысл (только для иных азимутов) имеет и вторая формула.

В соответствии со штриховым графиком на рис. 2, при переводе установки от первого азимута к третьему, изменение разности оптических путей достигает максимума, равного 2D(v/c)².

Разделив эту величину на длину световой волны l, получим изменение разности путей, выраженное в длинах волн:

В установке применялся источник света с длиной волны l=0.55.10^-6 м, длина плеча интерферометра составляла D=1.1 м,а известное из теории астрономической аберрации отношение (v/c)=0.0001.

Если подставить эти значения величин в ф-лу (4), то получим d = 0.04.

13. Два упущения статьи 1881 года. Опыт, выполненный Майкельсоном совместно с Морли в 1887 году, несомненно, более точен и убедителен, чем опыт 1881 года. Но статья 1881 года — это единственная публикация, в которой Майкельсон пытается обосновать принятую им процедуру математической обработки измеренных значений смещения и приводит примеры расчета. Во всех последующих работах он ни разу не возвращается к этому вопросу.

Между тем, содержание статьи вызывает, по крайней мере, два замечания принципиального характера. Первое, практически, очевидно. Смещение полосы, вызванное поворотом прибора на 90 градусов и равное 0.022 интервала между линиями было названо "слишком малым", хотя оно отличалось всего лишь на 10% от теоретически ожидаемого. Промах можно объяснить тем, что в расчете 1881 года Майкельсон не учитывал бокового сноса того луча, который перпендикулярен направлению скорости среды. По этой причине ожидаемое значение смещения оказалось завышенным в 2 раза и равным 0.08 интервала между полосами (без учета коэффициента 0.6).

В электротехнике известны устройства (полиномиальные фильтры нижних частот лестничной схемы), у которых разность фаз выходного и входного напряжений по мере увеличения частоты, начиная от нулевого значения, монотонно убывает от нуля до значения, равного ( — 90n)° при бесконечно большой частоте, где n — суммарное количество катушек и конденсаторов схемы фильтра.

Анализ процессов в индикаторной части схемы фазометра, а также непосредственная практика измерений убеждают в следующем. Предположим, что измерение фильтра нижних частот начато с достаточно низкой ("нулевой") частоты и прибор включен на измерение отрицательных разностей фаз j. В таком случае, пока разность фаз изменяется от нуля до –180°, стрелка индикатора "добросовестно" отслеживает по шкале это изменение.

В точке с азимутом 1 разность фаз этих волн максимальна. Вращение прибора приводит к тому, что отстающая по фазе волна начинает догонять и, по мере увеличения угла поворота, перегоняет вторую по фазе. В окуляре телескопа этот процесс проявляет себя в виде смещения центральной полосы (и всей интерференционной картины) относительно шкалы окуляра в некотором направлении, например, слева направо. (Отмечалось, что направление смещения полос определяется регулировкой одного из зеркал прибора.)

15. Опыт 1887 года. Интерферометр в опыте 1881 года имел слишком малую длину плеч и слабую механическую жесткость конструкции. Оба недостатка были устранены в приборе, изготовленном А. Майкельсоном и Э. Морли для выполнения эфирного опыта 1887 года. Теперь длина плеча была доведена до 11 м (увеличена в 10 раз по сравнению с прежним прибором) за счет многократного отражения обоих лучей от системы зеркал. Чтобы обеспечить легкость вращения, плита с прибором плавала в ванне, наполненной ртутью. Отсчет смещения центральной полосы осуществлялся по шкале головки микрометрического винта, связанного с объективом телескопа,

Азимуты	16	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
8/VII	44.7	44.0	43.5	39.7	35.2	34.7	34.3	32.5	28.2	26.2	23.8	23.2	20.3	18.7	17.5	16.8	13.7
9/VII	57.4	57.3	58.2	59.2	58.7	60.2	60.8	62.0	61.5	63.3	65.8	67.3	69.7	70.7	73.0	70.2	72.2
11/VII	27.3	23.5	22.0	19.3	19.2	19.3	18.7	18.8	16.2	14.3	13.3	12,8	13.3	12.3	10,2	7.3	6.5

Мы воспроизводим таблицу из [17] с записью полуденных (12.00 час) измерений 8, 9 и 11-го июля 1887 г. (см. табл. 2).

В этих опытах положение центральной полосы записывалось для 16-ти азимутов с интервалом между двумя соседними, равным 22.5°. Вращение начиналось от 16-го азимута и на нем же заканчивалось, пройдя все остальные с первого по пятнадцатый. (Такая таблица позволяет без дополнительной экстраполяции определить смещение полосы за один полный оборот прибора.) Числа каждой строки являются средними арифметическими серии из 6-ти вращений. Они показывают положение интерференционной полосы, выраженное в делениях головки микрометрического винта.

Легко заметить, что в пределах каждой строки смещение полосы имеет монотонный характер и изменяется, в первом приближении, пропорционально углу поворота прибора. Такая зависимость хорошо согласуется с концепцией выпрямляющего действия интерферометра.

16. Расчет Майкельсона и Морли. В своей статье Майкельсон и Морли ничего не говорят о методике обработки измеренных смещений полосы. Они пишут; "Результаты наблюдений [вместо "результаты математической обработки измеренных величин" — П. П.] представлены графически на рисунке" и приводят график, аналогичный упоминавшемуся "разностному" статьи 1881 г., т. е. график, представляющий собой разность усредненных измеренных значений смещения и ординат прямой линии, аппроксимирующей зависимость этого смещения от номера азимута. Поскольку аппроксимируемая зависимость близка к линейной, то ординаты разностной кривой оказываются во много раз меньшими, чем сами значения, зафиксированные в опыте. Иными словами, на этом этапе обработки безвозвратно исключается из дальнейшего рассмотрения основная часть смещения полосы, вызванного эфирным ветром.

Этот вывод вошел в историю физики как отрицательный результат эфирного опыта.

17. Пример правильного расчета. Обратимся еще раз к рис. 2. Здесь штриховая линия 1 показывает, как зависит от угла поворота разность оптических путей первого и второго лучей. Такой же характер имеет, в определенном масштабе, зависимость разности фаз этих лучей. Индикаторная часть прибора (интерференционная картина на фоне шкалы окуляра) преобразует знакопеременное равномерно колебательное изменение разности фаз двух лучей в монотонное однонаправленное смещение центральной полосы относительно шкалы окуляра, как показывает кривая 2 на этом же рисунке.

Вследствие однонаправленного вращения прибора на 360° разность фаз (см. штриховую кривую) ровно четыре раза меняется "от пика до пика". А смещение полосы (сплошная кривая) оказывается в четыре раза большим, чем смещение, вызванное поворотом прибора на 90°.

Из табл. 2 следует, что смещение полосы при повороте прибора от 16-го азимута до 16-го (т, е. на 360°) в трех сериях опытов соответственно оказалось равным

44.7 – 13.7 = 31.0;

72.2 – 57.4 = 14.8;

27.3 – 6,5 = 20.8 делений шкалы окуляра.

Избегая крайностей, выполним расчет для последней серии (среднее значение смещения по сравнению с двумя остальными).

Если поворот прибора на 360° приводит к смещению полосы на 20.8 деления шкалы, то повороту на 90° будет соответствовать в 4 раза меньшее: 20.8/4-5.2 деления.

В статье [17] упоминается, что расстояние между соседними полосами в ходе трехдневного эксперимента менялось от 40 до 60 делений шкалы. Принимая это расстояние в. среднем равным 50 делениям, пересчитаем смещение, равное 5.2 деления шкалы, в доли интервала между полосами:

5.2/50=0.104.

18. Как об этом пишут в книгах. Г. А. Лоренц был современником Майкельсона и Эйнштейна, одним из ведущих физиков-теоретиков своего времени, создателем теории электронов и неувлекаемого движущимися телами эфира. Именно он обратил внимание на ошибку в расчетной части статьи Майкельсона 1881 года, где не был учтен снос поперечного луча эфирным ветром. Статья Майкельсона и Морли, судя по публикациям самого Лоренца, никаких замечаний научно-технического характера у него уже не вызвала.

В своем классическом труде "Теория электронов" (1907 г.) Лоренц пишет: "...Ожидаемое изменение разности фаз при повороте прибора на 90°... равно 0.4 периода колебания желтого света. Однако на деле ни в одном случае не наблюдалось ни малейшего смещения, которое можно было бы приписать вышеобъясненной причине (т. е. влиянию эфирного ветра)" [5, с. 283]. В работе 1895 года говорится даже более определенно: "На основании теории Френеля нужно было ожидать смещения в 0.4 расстояния между полосами при переходе из одного главного положения в другое. Тем не менее при вращении получались смещения самое большее в 0.02 расстояния между полосами; они, вероятно, происходили от ошибок наблюдения" [6, с. 4].

Обратим внимание на одно существенное обстоятельство. В обоих отрывках результат математической обработки измеренных значений смещения представляется читателю под видом наблюдавшегося в телескоп смещения.

Авторы первых монографий по теории относительности — М. Лауэ, В. Паули, М. Борн — принадлежат уже следующему поколению ученых. Для них опыты Майкельсона — пройденный этап. При описании этих опытов они повторяют версию Лоренца. Например, М. Борн в "Эйнштейновской теории относительности" (1920 г.) пишет: "...Когда опыт был осуществлен, выяснилось, что невозможно обнаружить даже ничтожного следа ожидаемого смещения, а последующие повторения этого опыта с помощью более тонких средств наблюдения не дали ничего нового. Отсюда мы должны заключить, что ветер в эфире не существует. Скорость света не испытывает влияния движения Земли даже во втором порядке по (v/c)" [7, с. 263]. Здесь следует пояснить, что опыт Майкельсона относится именно к опытам второго порядка относительно (v/c) и напомнить, что в предыдущем параграфе из результатов измерения, полученных в этом опыте, мы нашли, что скорость эфирного ветра равна 15 км/с.

В "Теории относительности для миллионов" нашего современника М. Гарднера читаем: "Несмотря на то, что Майкельсон и Морли поворачивали свой прибор, они не заметили и следа эфирного ветра!" [8, с. 32].

Остается заметить, что основное содержание всех упомянутых книг и множества других на эту тему посвящено обоснованию свойств и законов того удивительного мира, в котором интерференционные полосы "упрямо стоят на месте и не проявляют ни малейшего желания сменить друг друга при поворотах интерферометра".

19. Опыт Миллера и Морли. Этот опыт был осуществлен в 1904 — 1905 годах. Длина светового плеча составляла 32 м. Поэтому вполне понятен интерес, с которым обращаемся к статье Д. Миллера и Э. Морли [18]. И здесь нас ждет разочарование. Авторы подробно рассказывают о работе над прибором, упоминая моменты чисто бытового характера, и о методике записи показаний. Сообщается, что всего было выполнено 260 вращений с 16-тью отсчетами в каждом. Но... статья не содержит ни одной таблицы с величинами измеренных смещений.

Этот вывод вошел в литературу как достоверный экспериментально установленный факт и как уточнение результатов опыта 1887 года. Можно ли так расценивать работу, в которой отсутствуют протоколы с отсчетами смещения полосы и сведения о методике математической обработки этих отсчетов?

20. Двадцать лет спустя. Со времени эфирного опыта Миллера и Морли прошло 15 лет. Европа пережила мировую войну, а Россия — еще и гражданскую. В начале двадцатых годов теория относительности, буквально, становится модной среди широких слоев населения цивилизованных стран, повидимому, в силу загадочной парадоксальности ее выводов и благодаря активной деятельности уверовавших в нее просветителей. Вероятно, это обстоятельство побудило Дайтона Миллера, одного из соавторов опыта 1905 года, к возобновлению эфирных экспериментов. Чтобы проверить возможные гипотезы, он экспериментирует на равнине (примерно, на уровне моря) и в горах (на высоте 5900 футов), весной и осенью, со стальной и известняковой крестовинами прибора.

В реферативном отчете об экспериментах 1921 года читаем; "Результаты показывают определенное смещение [полосы], имеющее период, равный половине оборота интерферометра, характер которого (смещения) совпадает с теоретически ожидаемым, но имеющее амплитуду, равную десятой части ожидаемой. Это несколько больше, чем было получено в Кливленде в 1905 году.

Однако это смещение всегда сопровождается возмущением [помехой], период которого равен полному обороту интерферометра и причина которого до сих пор не выяснена. [Надо ли пояснять, что речь идет о выпрямляющем эффекте интерферометра? — П. П.] ...Наблюдения показывают, что эффект не вызывается магнетизмом и что его величина, примерно, одинакова в апреле и в декабре" [19].

Своеобразной оказалась реакция на сообщение Миллера нескольких физиков: Кеннеди и Иллингворта в США и Иооса в Германии. Они, каждый по-своему, повторили эфирный опыт и, независимо друг от друга, пришли к выводу, что открытие Миллера не подтверждается.

21. Опыт Кеннеди. Р. Кеннеди в 1926 г. усовершенствовал интерферометр Майкельсона, применив метод так называемого полутеневого отсчета, чувствительность которого равняется 0.002 полосы. Описание метода можно найти в [11, с. 139].

Сам интерферометр представлял собой уменьшенную копию прибора Майкельсона. В своей статье [21] Кеннеди подробно описывает оптическую часть устройства. Но отчет об эксперименте на удивление лаконичен:

"Флуктуаций [центральной полосы] в поле зрения не было. Вычислять среднее [некоторого] числа отсчетов не потребовалось. Предварительный расчет показал, что [в опыте] могло быть зарегистрировано смещение, равное одной четвертой от обнаруженного Миллером. Результат был вполне определенный: не было и следа смещения, обусловленного ориентацией [прибора]."

Опыт Кеннеди — единственный из описанных в брошюре, в котором не обнаружился выпрямляющий эффект интерферометра, и это позволяет заподозрить неправильную исходную регулировку прибора.

Некоторый свет проливает рассказ о методике Кеннеди в статье Иллингворта.

22. Опыт Иллингворта. К. Иллингворт осуществил свой опыт [22] годом позднее Кеннеди, используя интерферометр последнего.

По методике Кеннеди, пишет Иллингворт, следовало "ожидать такого стабильного температурного режима, при котором аппарат можно было бы повернуть на прямой угол и возвратить в исходное положение без заметного изменения интенсивности обеих половин интерференционной картины". Не спешите винить перевод. Неясность существует уже в оригинале, который, как и перевод, допускает возможность двоякого истолкования:

а) Интенсивность обеих половин картины не меняется в процессе вращения. Но если заранее выдвигается такое условие то какого же результата можно ожидать от измерения?

б) Интенсивность может изменяться в процессе вращения, но при возвращении прибора в исходное положение имеет исходную величину.

Продолжим цитату. "Во всех случаях наблюдатель начинал, глядя на север, вращал аппарат до направления на запад и возвращался к направлению на север. За десять дней [конца июня] удалось дождаться выполнения этих условий только в тринадцати случаях. Ни в одном из них, когда условия выполнялись, при вращении аппарата с севера на запад не был зарегистрирован сдвиг, достигающий 0.002 полосы, что соответствовало бы скорости эфира около 5 км/с.

Поскольку получить стабильный температурный режим оказалось трудно, решено было предпочесть метод, который позволил бы исключить монотонное смещение, обусловленное изменениями температуры. [Снова неопознанный эффект эфирного ветра списывается на счет температурных изменений, — П. П.] С этой целью на одном из углов мраморной плиты-основания был укреплен вертикальный стержень, на который надевалось некоторое количество грузиков, массой в 14 г каждый."

Цитируем: "Начиная опыт при точном балансе яркостей, в дальнейшем отмечалось, сколько грузов было удалено или прибавлено для восстановления баланса яркостей после поворота на каждые 90°. Таким образом, оказалось возможным получить численные значения смещения полосы по мере вращения прибора и усреднить отсчеты [нескольких вращений], что позволило повысить чувствительность и точность измерений. Дальнейшее достоинство метода — исключение непреднамеренной подгонки отсчетов под ожидаемый результат."

В качестве примера в [22] приведен типичный, по словам Иллингворта, протокол серии из 10 измерений, выполненных 9 июля 1927 г. в 11.00 час. Фрагмент этого протокола мы воспроизводим в виде табл. 3. Здесь числа в каждой из строк означают количество упомянутых грузиков, которое потребовалось удалить (снять со стержня), чтобы восстановить баланс яркостей.

Таблица 3

Таблица сопровождается следующим расчетом:

Среднее NSN = – 9.33

Среднее EW = – 9.30

О разности двух средних (d= – 0.03) сказано, что это — среднее смещение, обусловленное изменением ориентации, выраженное в весовых единицах, при условии что за единицу принята масса, равная 14 г.

где D есть смещение полосы, вызванное поворотом на прямой угол".

Легко подсчитать, что при d=0.03 скорость оказывается равной 0.865 км/с, что во много раз меньше, чем величина, объявленная Миллером.

Иллингворт относит монотонное смещение полосы на счет неких "температурных эффектов". Однако известно, что прибор был заключен в металлический кожух, заполненный инертным газом. Это обеспечивало отсутствие сквозняка и определенное постоянство температуры. Временной интервал между соседними отсчетами одной строки по [22] составлял 30 секунд. Серия из 10 вращений потребовала, как минимум, 20 минут времени. Судя по отсчетам табл. 3, в течение всего этого отрезка времени "температурный эффект" упорно менял положение полосы по одному и тому же линейному закону. Здесь есть о чем задуматься сторонникам теории температурных эффектов.

В то же время строка "Среднее" табл. 3 служит убедительным подтверждением выпрямляющего эффекта интерферометра. Действительно, если построить зависимость смещения, выраженного в весовых единицах, от угла поворота, то полученный график поистине с замечательной точностью будет представлять собой прямую линию.

Остается проделать несложный расчет. В соответствии с табл. 3, поворот прибора на 360° приводил к смещению полосы на 18.7 весовых единиц. Среднее смещение при повороте на 90° было равно d=18.7/4=4.7 весовых единиц или, в долях интервала между полосами,

D = 0.002d = 0.002 . 4.7 = 0.0094.

По формуле Иллингворта

Таким образом, эфирный ветер отчетливо проявил себя и в этом опыте, но... снова остался незамеченным.

23. Опыт Иооса. Этот опыт был поставлен в 1930 г. на оригинальном интерферометре, разработанном и изготовленном в мастерских известной фирмы Цейса (Германия). Смещение полосы регистрировалось на пленку. Статья [23] содержит подробное описание установки и серию сильно уменьшенных фотографий. Численные значения зафиксированного смещения отсутствуют, сведения о методике математической обработки — также. Поэтому мы лишены возможности самостоятельно проверить следующий вывод статьи: "Микрофотометрическая обработка снимков показала, что эфирный ветер, если таковой имеется, не превышает 1.5 км/с". Это значение максимально возможной скорости ветра в статье Иооса остается недоказанным. Но в научной литературе оно считается установленным экспериментально и не подвергается сомнению.

А как же выпрямляющий эффект интерферометра? — спросит читатель. В одном месте статьи читаем: "При этих измерениях обнаружились проявления полнопериодического [читайте "монотонного"] смещения полосы. Исключение этого эффекта осуществляется таким образом, что берется среднее 1-го и 5-го, 2-го и 6-го, 3-го и 7-го, 4-го и 8-го отсчетов [при восьми отсчетах за один оборот]".

Но... в "Ревю оф модерн физик" № 3 за 1933 г, [25] появляется большая статья Д. Миллера "Эфирный эксперимент и определение абсолютного движения Земли". В отличие от всех предыдущих публикаций этого исследователя, здесь [наконец-то!] находим протокол измерений. Точнее, отчетливую фотографию протокола серии из двадцати вращений на Маунт Вильсоне от 23 сентября 1925 года, приведенную в качестве иллюстрации к тексту статьи. Сама же статья содержит также [впервые за три десятилетия] описание процедуры расчета.

Первые пять строк протокола мы воспроизводим в виде табл. 4. Здесь первый столбец содержит номера вращений. Отсчеты фиксировались для 16-ти азимутов (второй — семнадцатый столбцы таблицы). Последний, восемнадцатый, столбец содержит отсчет первого азимута следующего оборота прибора, что позволяет проследить за смещением полосы на протяжении нескольких оборотов прибора.

Обратимся к тексту [25, с. 212 — 214], заключая свой комментарий в квадратные скобки: "Наблюдатель отсчитывает положение [смещение] центральной полосы относительно стрелки [в поле зрения окуляра] в десятых долях расстояний между полосами. Применение графической шкалы является нецелесообразным, т. к. расстояние между полосами подвержено изменениям. [Таким образом, деление интервала между полосами на 10 частей осуществляется визуально, "на глаз".]

Теперь среднее значение ординаты полученной зависимости вычитается из ординаты каждой точки, и полученные значения, будучи нанесены на график, дадут зависимость смещения полосы по отношению к ее собственной временной оси. [Т. е. после исключения монотонной составляющей исключается из остатка также и постоянная составляющая.] При количественном исследовании ветра 16 полученных таким образом усредненных (по двадцати вращениям) отсчетов строятся в виде графика и подвергаются механическому [т. е. с помощью механического устройства] гармоническому анализу с целью расчета второй гармоники, один период которой соответствует полуобороту аппарата."

Окончим цитирование и обсудим открывшиеся факты.

1. Изложенная методика, действительно, дает возможность определить амплитуду колебательного знакопеременного отклонения фактического смещения полосы от монотонного линейного. В свою очередь, существование такого отклонения свидетельствует о наличии эфирного ветра.

2. В публикации 1921 года утверждалось, что монотонное смещение полосы имеет период, равный одному обороту прибора. Это утверждение, вообще говоря, противоречило концепции выпрямляющего эффекта интерферометра. Теперь табл. 4 позволяет убедиться, что упомянутой периодичности смещение не обнаруживает.

За пять оборотов прибора оно монотонно изменяется от (+10)-го до (–15)-го деления шкалы, т. е. в среднем на 5 делений за один оборот.

3. Обратим внимание на следующий абзац статьи: "Если смещение центральной полосы [от стрелки окуляра] начинает превышать величину интервала между полосами, то система полос возвращается в исходное положение просто путем установки малого груза массой в 200 или 300 граммов на конец одного из плеч или путем удаления груза с плеча". Именно этот прием был впоследствии успешно использован Иллингвортом.

5. Статья Д. Миллера 1933 г. — это серьезное доказательное исследование, которое даже при наличии ошибки (исключение монотонной составляющей) подтверждает концепцию эфира.

Учитывая принципиальную важность ее содержания, можно было ожидать научной дискуссии или обоснованных возражений. Но... не последовало ни того, ни другого. В поисках возможного объяснения, наверное, следует учесть, что именно в начале тридцатых наступает период политических потрясений, которые охватили многие страны и континенты и к концу тридцатых переросли во вторую мировую войну. Внимание большинства ведущих физиков переключается на ядерные проблемы. А совершенствование средств связи, и чем всегда заинтересованы военные, практически, не зависит от решения проблемы эфира. К тому же, совсем недавно прошли на страницах журналов статьи Кеннеди, Иллингворта и Иооса, решительно опровергающие предыдущий вывод Миллера.

"Миллер умер в 1941 году, так ничего и не доказав", — пишет Б. Джефф, биограф Майкельсона [12, с. 88]. Но он ошибается. Статья Д. Миллера 1933 г. доказывает существование эфирного ветра. Просто здесь повторилась ситуация из "Баллады о синем пакете" Н. Тихонова:

"Оно [сообщение] опоздало на полчаса.

Не нужно... Я все уже знаю сам."

25. Заключение. 1. Выпрямляющий эффект эфирного интерферометра изначально далеко не очевиден. Поэтому нет ничего удивительного, что в течение ста одиннадцати лет он ускользал от внимания исследователей. С учетом этого эффекта, т. е. при правильном объяснении причины монотонного смещения центральной полосы, все эфирные опыты, выполненные с интерферометром Майкельсона, свидетельствуют о существовании эфирного ветра.

2. Составляющая этого ветра, параллельная плоскости интерферометра, в опытах Иллингворта и Миллера имела, практически, одинаковое значение; 10 км/с и несколько большее — в опыте 1887 года.

3. В свете этих фактов по-новому воспринимаются некоторые высказывания участников и современников эфирной эпопеи, сделанные по горячим следам:

— А. Майкельсон, 1903 г.: "...результат опыта оказался отрицательным, и это могло бы указать, что в самой теории заключается еще какая-то неясность или неполнота, и я должен сказать, что до сих пор не удалось объяснить этого весьма неожиданного обстоятельства" [11, с. 128].

— Г. Лоренц — Релею, 1892 г.: "Не может ли быть некоторого пункта в теории опыта мистера Майкельсона, который до сих пор не был замечен?" [10, с. 111].

— О. Лодж, 1893 г.; "Этот эксперимент должен быть разъяснен" [10, с. 111].

— Чувствуется обеспокоенность в комментарии к опыту 1887 г. у С. И. Вавилова: "Способ обработки таков, что всякие непериодические смещения исключаются. Между тем, эти непериодические смещения значительны... При повороте прибора на полную окружность... полосы систематически смещаются на 0,5 [интервала между ними]" [4].

— Глубокая убежденность в существовании эфира отличает книги и выступления акад. АН СССР А. Ф, Миткевича.

— Уже в самое последнее время, когда эфир, казалось бы, окончательно похоронен, мы стали свидетелями появления монографии "Общая эфиродинамика" В. А. Ацюковского [13].

4. Вопрос об эфире выходит за пределы чистой оптики или теории электричества. Это вопрос о справедливости одной из двух концепций пространства и времени: концепции Ньютона или Эйнштейна.

Специальная теория относительности А. Эйнштейна утверждает, что никакими оптическими или электромагнитными опытами нельзя обнаружить собственное движение инерциальной системы отсчета. Эта теория отвергает принцип алгебраического сложения скоростей двух инерциальных систем отсчета (ИСО) и объясняет отрицательный результат опыта Майкельсона.

Но мы имели возможность убедиться, что результат эфирного опыта, в действительности, оказался положительным и позволил обнаружить (и вычислить) собственную скорость ИСО (Земли в ее орбитальном движении) относительно пространства, в котором она перемещается. Этот факт противоречит выводам теории Эйнштейна. И здесь уместно напомнить, как оценивается такая ситуация именно в книге по теории относительности: "Если хотя бы один правильный эксперимент, поставленный в пределах применимости теории, противоречит этой теории, теорию следует признать неверной" [14, с. 323].

5. Тем, кто склонен объяснять монотонное смещение центральной полосы "температурными эффектами", напомним слова Майкельсона: "Несмотря на... необходимую крайнюю точность установки и постоянство температуры между отражающими поверхностями, все же оказалось возможным не только видеть полосы, но и удержать их неподвижными в течение нескольких часов" [11, с. 128].

26. Признательность. Выражаю искреннюю благодарность за доброжелательное отношение работникам библиотек МТУСИ (МЭИС) и МГУ (фонд на Моховой и фонд физфака). За неизменный интерес и дружескую поддержку благодарю инженера-связиста Валентина Павловича Попова, предложившего однажды "разобраться с вопросом об эфире хотя бы для самих себя".