"Природа", №01-02, 1926 год, стр. 9-22.
Доклад профессора Миллера, напечатанный в Science (от 19 июня 1925) и затем в Nature (от 11 июля) и в более полном виде в Proceedings of the National Academy of Science (июнь 1925), вызвал большой интерес и оживленный обмен мнений среди физиков и астрономов.
Проф. Зильберштейн отметил полное противоречие результатов Миллеровских экспериментов самым основным принципам теории относительности. "Но это значит все равно что сказать", добавляет Зильберштейн, "что результаты Миллера разбивают теорию относительности совершенно" (Nature 23 мая 1925, стр. 798).
Важное признание по поводу полученных Миллером результатов последовало со стороны самого Эйнштейна в его частном сообщении для Science Service: "Если результаты Д-ра Миллера были бы признаны, тогда специальная теория относительности и вместе с ней общая теория относительности, в ее настоящей форме, должны пасть. Эксперимент — это высший судия. Только эквивалент инерции и веса остается, что повело бы к существенно иной теории". (Science, 31 июля 1925 г., стр. VIII).
Что касается проф. Миллера, то он не опубликовал еще каких-либо широких физических обобщений на основании обсуждения полученных им до сей поры результатов, оставляя это до окончания всей серии задуманных им эксперилгентов, которые он в настоящее время и продолжает вести на г. Вильсон. Последнее сообщение его говорит о благоприятной погоде и успешности наблюдений.
М. К. Е.
30 октября 1925 г.
После того как была установлена колебательная теория света, стало необходимым предположить существование всепроникающей среды, в которой световые волны могли бы развиваться и распространяться. Эта гипотетическая среда была названа "эфиром". Ей были приписаны такие свойства, которые были необходимы для объяснения наблюдаемых явлений. Некоторые физики искали подтверждения существования эфира путем непосредственных экспериментов. Попытка проф. А. А. Майкельсона (А. А. Michelson) в 1891 г. была наиболее фундаментальной из них; она была основана на идее, что эфир в его целом находится в покое и что световые волны распространяются в свободном эфире во всех направлениях и с тою же самой скоростью по отношению к эфиру. Было также предположено, что земля в своем движении по орбите вокруг солнца проходит свободно через этот эфир, как если бы последний пребывал в пространстве в абсолютном покое. Эксперимент предполагал обнаружить относительное движение между землей и эфиром и это и есть то относительное движение,которое так часто называют "эфирным ветром" (Ether Drift). Эксперимент основан на рассуждении, что видимая скорость света будет вариировать в зависимости от того, будет ли наблюдатель переноситься землей по той же линии, по которой распространяется свет, или же перпендикулярно этой линии. Скорость света равна 300.000 километров в секунду, тогда как скорость земли по своей орбите есть 1/10.000 от первой, т.-е. 30 километров в секунду. Фактическое движение наблюдателя во все время есть векториальная сумма (resultant) от:
1, движения земли по своей орбите (30 километров в секунду, изменяющееся по направлению) и
2, постоянного движения солнца и всей солнечной системы в неизвестном направлении и с неизвестной скоростью.
Таким образом, фактическое относительное движение земли и эфира нам неизвестно и оно может быть менее чем 30 километров в секунду или гораздо больше. Если допустить, что это относительное движение земли и эфира равно таковому земли по своей орбите — 30 километров в секунду — и если бы было возможно измерять непосредственный эффект этого движения на видимую скорость света, тогда скорость эта, измеренная вдоль линии движения земли, должна была бы отличаться от видимой скорости (света) по направлению перпендикулярному к этой линии на 30 километров в секунду, или на 1/10.000. Это и есть то, что называется эффектом первого порядка; но, к сожалению, мы не знаем методов измерения скоростей (света) при таких простых условиях. Все методы требуют, чтобы луч света прошел к находящейся на некотором расстоянии станции и обратно к начальному пункту, а при этом положительный эффект движения земли на исходящий луч будет нейтрализован отрицательным эффектом на возвращающийся луч, но было указано, что для движущегося 1) наблюдателя нейтрализация не будет полной, видимая скорость исходящего и возвращающегося луча в направлении движения земли будет отличаться от видимой скорости луча, исходящего и возвращающегося под прямым углом (к движению земли), как квадрат отношения скорости земли к скорости света, т.-е. на величину 12/10.0002 или 1:100.000.000. Таким образом, единственный эффект, который может быть определен экспериментально, является чрезвычайно деликатным, и есть то, что называют "эффект второго порядка".
Замечательный инструмент, известный под именем "интерферометра", который был изобретен проф. Майкельсоном, способен обнаружить разницу в скорости света на ту небольшую величину, которая заключена в эфирном ветре. В этом эксперименте пучок света разделен полностью на два пучка посредством тонкой серебряной пленки, так называемого "полу-серебряного зеркала" (half silveret mirror); серебряный покров достаточно тонок, чтобы позволить пройти насквозь приблизительно половине света, тогда как другая половина отражается обычным порядком. Эти два пучка света можно, таким образом, заставить проходить пути, находящиеся во взаимно-перпендикулярном направлении. В конце желаемого пути каждый пучок отражается обратно вдоль самого себя и оба сходятся вместе там, где они были первоначально разделены. Если оба пути оптически эквивалентны, т.-е., если в каждом из них содержится в точности одинаковое число длин волн, воссоединенные части (луча) сольются с полным совмещением волн. Если, однако, один путь длиннее другого на полволны, волны сойдутся в противуположных фазах: гребень одной совпадет со впадиной другой. Эти и другие соотношения фаз между двумя лучами производят эффекты, называемые "интерференционными полосами" (fringes), наблюдения над которыми позволяют установить малейшие изменения в скорости света на двух путях.
В 1887 г., в Кливеланде, проф. Майкельсон, тогда профессор физики в Case School of Applied Science в сотрудничестве с проф. Эдуардом Морлей (Eward W. Morley) из Western Reserve University, сделал некоторые важные усовершенствования в методе и устройстве аппарата и воспользовался интерферометром в своей попытке определить, производит ли движение земли в пространстве тот эффект на скорость света, который предсказывала теория. К сожалению мы не знаем в каком абсолютном направлении движется земля в пространстве и, таким образом, невозможно поместить интерферометр точно в этом направлении. Поэтому весь аппарат установлен на фундаменте, который плавает на ртути так, что он может быть повернут на любой азимут горизонтальной плоскости наблюдения в попытках найти направление предполагаемого эфирного ветра. Вращение земли вокруг своей оси перемещает плоскость интерферометра, как если бы она была на поверхности конуса, ось которого совпадает с осью земли и, таким образом, заставляет ее (плоскостью интерферометра) принимать многообразные положения в пространстве. Лишь тот компонент (составляющая) видимого ветра может быть наблюдаем, который лежит в горизонтальной плоскости интерферометра в момент наблюдения. Поэтому видимые азимут и величина ветра должны меняться с изменением времени наблюдения. Ветер перпендикулярный к плоскости интерферометра не произведет поэтому никакого эффекта; вполне возможно, что такое положение может случиться в некоторые времена года.
Нет возможности в настоящее время объяснить все детали тех принципов, которые были применены. Наблюдения были сделаны посредством рассматривания в телескоп системы интерференционных полос, образованных двумя пучками света. Когда интерферометр вращается вокруг своей оси, то эфирный ветер должен заставить всю систему интерференционных полос колебаться, двигаясь сперва в одну сторону, а потом в другую, с периодичностью в пол-оборота интерферометра вокруг своей оси. Для относительного движения земли и эфира, равному орбитальной скорости земли, равной 30 километров в секунду, смещение это в первоначальном эксперименте Майкельсона и Морлея должно было бы быть ¹/₁₀ от интерференционной полосы.
В ноябре 1880 г. Майкельсон и Морлей опубликовали вывод, полученный из их наблюдений, сделанных в июле этого года, в таких словах: "Принимая во внимание только движение земли по своей орбите, наблюдения показывают, что относительное движение земли и эфира вероятно менее чем ⅙ от орбитальной скорости земли и безусловно менее чем ¼ (т.-е. оно менее чем 7½ километров в секунду). Этот результат был рассматриваем многими как нулевой результат, часто назывался также отрицательным результатом, и некоторым мыслился как сеющий большие сомнения относительно ценности гипотезы светового эфира. Имеется существенное "добавление" к этому отчету, который начинается следующей фразой: "Но неневозможно, что уже на умеренном расстоянии над уровнем моря, на вершине изолированного горного пика, например, относительное движение может быть подмечено в аппарате, подобном употребляющемуся в этих экспериментах" 2).
На интернациональном конгрессе физиков в 1900 г. в Париже лорд Кельвин сделал обзор, в котором он обсуждал теории эфира. Он отметил, что "единственное облако на чистом небе теории был нулевой результат эксперимента Майкельсона и Морлея". Проф. Морлей и автор присутствовали на конгрессе, а в разговоре после доклада лорд Кельвин выразил убеждение, что эксперимент следовало бы повторить с более чувствительным аппаратом. Автор вместе с проф. Морлеем сконструировал интерферометр почти в 4 раза более чувствительный чем тот, который употреблялся в первом эксперименте, имея путь луча в 224 фута, равный около 150.000.000 длин волн. В этом инструменте относительная скорость земли и эфира, равная орбитальной скорости земли, была бы отмечена смещением интерференционных полос, равным 1½ полосы. Таков был размер инструмента, который с тех пор и впредь был применен. Все оптические части были новы и ничего не было взято из первоначального аппарата, исключая бака со ртутью и его деревянного поплавка.
Такой инструмент с фундаментом из деревянных брусьев был употреблен в 1902 и 1903 годах, но изменчивость деревянной конструкции из-за вариаций во влажности и температуры делала точные наблюдения невозможными. Новая поддерживающая конструкция была спроектирована проф. Нефф (F. Н. Neff) отдела строительного искусства в Case School of Applied Science, целью каковой было достигнуть одновременно и симметрии и жесткости. Эта конструкция, или база, была построена из структурной стали и установлена в подвальном помещении физической лаборатории Case School of Applied Science в Кливеланде и наблюдения были сделаны в 1904 и 1905 годах. Результаты этих наблюдений были опубликованы в Philosophical Magazine в мае 1905 г. Они были выражены в следующих словах: "Мы можем таким образом утверждать, что эксперимент показывает, что если эфир около аппарата не двигался вместе с ним, то разница в скорости была меньше чем 3,5 километра в секунду, если только влияние материалов не скрадывало искомый эффект. Некоторые думают, что этот эксперимент доказывает лишь, что эфир в определенном подвальном помещении увлекается вместе с ним. Мы желаем поэтому перенести аппарат на холм, чтобы посмотреть, будет ли там обнаружен искомый эффект" 3).
В это именно время Эйнштейн впервые заинтересовался предметом исследования и позднее в этом же 1905 г. он опубликовал статью об "Электродинамике движущихся тел" 4). Эта работа была первой из длинного ряда статей и трактатов Эйнштейна и других, которые развились в современную теорию относительности. В этой первой статье Эйнштейн устанавливает принцип постоянства скорости света, пытаясь показать, что для наблюдателя на движущейся земле измеряемая скорость света будет постоянной, не взирая на направление или величину движения земли. Вся теория отнесена к физическим явлениям главнейше в предположении, что эксперименты с эфирным ветром дали точный и определенный нулевой результат. Такое толкование эксперимента не было однако приемлемо для автора и были предприняты дальнейшие наблюдения, чтобы разрешить этот особливый вопрос.
Осенью 1905 г. Морлей и Миллер перенесли интерферометр из подвала лаборатории на склон Эвклидовых Высот в Кливеланде, на высоту около 300 футов над озером Эри и на свободу от влияния строений. Пять групп наблюдений были сделаны в 1905—1906 годах, которые дали определенный положительный результат от "ожидавшегося" тогда вихря. Но было подозрение, что это может быть следствием температурного эффекта, хотя на это и не было прямого указания. Был составлен план как подвергнуть это подозрение испытанию после летних вакаций. Мы установили интерферометр на земле, принадлежавшей одному другу; но во время нашего вакационного отсутствия земля была продана и новый владелец потребовал, чтобы интерферометр был немедленно убран.
Проф. Морлей отошел от активной работы в 1906 г. и продолжение экспериментов было передано автору. Казалось желательным, чтобы будущие наблюдения были бы предприняты на значительно большей высоте, но многочисленные причины препятствовали возобновлению наблюдений. Опубликование отчетов о солнечном затмении в 1919 г., которые были истолкованы как подтверждающие теорию относительности, возродили интерес к экспериментам с эфирным ветром. Один великодушный друг обеспечил достаточным фондом покрытие потребных значительных издержек. Расположение обсерватории на горе Вильсон около Пасадина в Калифорнии, на высоте около 6.000 футов, казалось подходящим для дальнейших опытов. Благодаря любезности Мерриама, президента Института Карнэги в Вашингтоне и директоров обсерватории Хэйл и Адамс, эксперименты были возобновлены автором в марте и апреле 1921 г. в обсерватории горы Вильсон. Аппарат был существенно тот же самый, которым пользовались Морлей и Миллер в 1904, 1905 и 1906 г.г. Наблюдения были сделаны в конце 1921 г. и затем опять в 1924 и 1925 г.г.
На станции горы Вильсон было сделано всего около 5.000 отдельных наблюдений над эфирным ветром в различное время дня и ночи. Эти последние были сведены в 204 различные группы, каждая группа состояла из наблюдений, сделанных в течение одного часа. Наблюдения соответствуют четырем различным эпохам года, а именно; I — апрель 15, 1921, 117 групп наблюдений; II — декабрь 8, 1921, 12 групп; III — сентябрь 5, 1924, 19 групп и IV — апрель 1, 1925, 35 групп5).
Самые первые наблюдения, сделанные в марте 1921 г., уже дали положительный эффект, а именно такой, как если бы его произвел настоящий эфирный ветер, соответствующий относительному движению земли и эфира около 10 километров в секунду. Но ранее чем объявить об этом результате, казалось необходимым изучить каждую возможную причину, которая могла бы произвести перемещение интерференционных полос, подобное произведенному эфирным ветром. Предположенные причины (для таких перемещений) были: магнитная деформация стальной конструкции интерферометра и эффекты тепловой радиации. Чтобы избегнуть эффектов тепловой радиации, металлические части интерферометра были сплошь покрыты пробковым покровом около одного дюйма толщины. Пятьдесят групп наблюдений были сделаны в таких условиях, показывая вызванные ветром периодические перемещения интерференционных полос в согласии с первыми наблюдениями 6).
Летом 1921 года стальная конструкция интерферометра была убрана. Вместо нее было установлено плавающее на ртути монолитное бетонное основание с каркасом из бронзы. Поддержки для оптических частей инструмента были сделаны из алюминия или бронзы. Весь аппарат таким образом стал свободным от магнитных влияний и возможный эффект от теплоты был значительно уменьшен. В декабре 1921 года 42 группы наблюдений были сделаны с немагнитным интерферометром. Они показали положительный эффект как бы от эфирного ветра, который был в полной гармонии с наблюдениями в апреле 1921 года. Многие вариации в изменении условий были испробованы в эту эпоху. Наблюдения были сделаны с вращением интерферометра по часовой стрелке и в противуположном направлении, с быстрым вращением и с очень медленным вращением, и с интерферометром, в значительной степени выведенным из уровня, благодаря односторонней нагрузке плота. Многие вариации в самой процедуре наблюдения и отметок были испробованы. Результаты наблюдений не были затронуты ни одной из этих перемен.
Весь аппарат целиком был возвращен в лабораторию в Кливеланде. В течение 1922 и 1923 г.г. были проделаны многочисленные опыты при различных условиях, которые могли бы быть контролируемы, и со многими перемещениями в расположении частей в аппарате. Было сделано такое размещение призм и зеркал, чтобы источник света мог быть расположен вне помещения комнаты наблюдений и дальнейшее усложнение зеркальной системы было испробовано, чтобы наблюдать интерференционные полосы из неподвижного телескопа. Методы фотографической регистрации с помощью кинематографа были испробованы. Были применены различные источники света, включая солнечный свет и электрическую дуговую лампу. В конце концов было закончено оборудование для производства наблюдений с помощью астрономического телескопа, имеющего объектив с 5-тидюймовой диафрагмой и с линейным увеличением в 50 раз. Одобренным источником света была большая ацетиленовая лампа того сорта, который обычно употребляется для автомобильных фонарей. Длинная серия экспериментов была проделана, чтобы определить влияние неравномерности температуры и тепловой радиации и различные изолирующие покровы были применены для фундамента (базы), интерферометра и для путей световых лучей. Эти эксперименты доказали, что при условиях фактического наблюдения периодические перемещения не имели бы возможности произойти от температурных эффектов. Продолжительное исследование в лаборатории показало, что эффект полного периода, отмеченный в предварительном отчете обсерватории горы Вильсон, есть неизбежный геометрический результат зеркальных установок, когда имеем дело с интерференционными полосами конечной ширины и что эффект исчезает только для интерференционных полос бесконечной ширины, как это и предполагается в простой теории эксперимента.
В июне 1924 года интерферометр был взят опять на гору Вильсон и установлен на новом месте, где температурные условия были более благоприятными, чем в 1921 году. Домик для интерферометра был также установлен в иной ориентации. Опять наблюдения показали определенный положительный результат, соответствующий ранее сделанным наблюдениям на горе Вильсон. Наблюдения на горе Вильсон были возобновлены в марте 1925 г. и продолжались почти до середины апреля, в каковое время было сделано 35 групп наблюдений с 1600 измерениями вихря. Опять были сделаны многие вариации в деталях расположения частей и в методах наблюдения, но без каких бы то ни было изменений в результатах. Во все время этой последней эпохи наблюдений, условия для них были исключительно благоприятны. В течение некоторого времени стоял туман, который поддерживал очень ровную температуру. Четыре точных термометра висели снаружи дома. Во многих случаях крайние пределы температуры не отличались более, чем на 0,1°С и обычно они были не более, чем 0,4°С. Такие вариации совершенно не затрагивали периодического перемещения интерференционных полос. Наблюдения в апреле 1925 г. дали почти совершенно одинаковые результаты со сделанными в апреле 1921 г. (см. фиг. 1 и 2), несмотря на то, что интерферометр был перестроен и имелась другая система освещения и были применены другие методы наблюдения и что он был помещен на новом месте и в доме иначе ориентированном.
Показания интерферометра, будучи сгруппированы, дают непосредственно, путем гармонического анализа (произведенного с помощью механического гармонического анализатора), направление и величину эфирного ветра. Нет надобности применять какие-либо поправки к наблюденным величинам. Пока что, в ведущейся работе каждое показание ветра, сделанное на горе Вильсон, было включено в полной его величине. Ни одно наблюдение не было отброшено потому, что оно оказалось плохим, и никакой тенденции не было применено, чтобы уменьшить влияние какого-либо из наблюдений на результат, т. к. никакого предположения не было сделано в отношении ожидавшегося результата. Можно добавить, что в то время, когда читаются показания, ни наблюдатель, ни записывающий показания не могут иметь ни малейшего представления о том, имеет ли место какая-либо периодичность и еще менее относительно направления или величины такой периодичности.
Эксперименты над эфирным ветром на горе Вильсон в течение последних 4-х лет, с 1921 по 1925, состоящие из почти 5.000 отдельных наблюдений ветра, привели к заключению, что имеется такое положительное перемещение интерференционных полос, как если бы оно было произведено относительным движением земли и эфира у этой обсерватории со скоростью приблизительно 10 километров в секунду, будучи около ⅓ от орбитальной скорости земли 7). При сравнении с более ранними Кливеландскими наблюдениями это указывает на частичное увлечение эфира землею, каковое уменьшается вместе с высотою (места наблюдения). Автор верит, что переобсуждение Кливеландских наблюдений с этой точки зрения покажет, что они находятся в согласии с таким предположением и это поведет к заключению, что эксперимент Майкельсон-Морлея в действительности не дает и вероятно не давал нулевого результата.
Доктор Людвиг Зильберштейн (Ludwig Silberstein) в его письме в "Nature" от 23 мая 1925 г. отметил, что эти результаты, указывающие на частичное увлечение эфира землею, легко объяснимы в приложении той концепции эфира, как она развита Стоксом (Stokes) и модифицирована Планком (Planck) и Лоренцом (Lorentz), как это было уже подвергнуто обсуждению в одной статье Зильберштейна в Philosophical Magazine от февраля 1920 г.
Окончательное испытание этих наблюдений лежит в том: ведут ли они к рациональному и совершенно определенному указанию на постоянное движение солнечной системы в пространстве, комбинирующее с орбитальным движением земли и дневным оборотом ее вокруг собственной оси. Должно существовать определенное соотношение для данной широты между наблюденным азимутом вихря и звездным временем наблюдения. Наблюдения в различные звездные времена должны были бы показывать различные азимуты, и, наоборот, все наблюдения в одинаковые звездные времена должны были бы показать тот же азимут для данной эпохи. 1.600 наблюдений над эфирным вихрем, произведенные в апреле 1925 г. и состоящие из 35 групп, сделанных в различные дни, были скомбинированы в II группы для различных звездных времен и отмечены в азимутах для соответственных звездных времен на фигуре 3. Показанная на этой фигуре кривая проведена условно, чтобы указать на существование определенного соотношения. Кривая эта того сорта, который должен был бы соответствовать определенному по направлению и по скорости эфирному ветру. Наблюдения для остальных трех эпох, хотя и не так многочисленны, дают однако кривые совершенно согласные с этой.
Вряд ли требуется добавить, что определение абсолютного движения солнечной системы с помощью таких наблюдений над интерферометром является делом большой сложности. Профессор Нассау (I. I. Nassau) отдела математики и астрономии в Кэйс-скул и доктор Стрöмберг (G. Strömberg) из состава обсерватории горы Вильсон оказали большую помощь в математическом анализе и выработали решения для различных частей задачи и также полное решение основной проблемы способом наименьших квадратов. Окончательные цифровые подсчеты потребуют нескольких месяцев непрерывной работы, и они в настоящее время производятся.
1) Разрядка переводчика.
(стр. 11.)
2) Michelson and Morley: "Relative motion of the earth and the luminiferous ether". Amer. Journal of Science, 34, 333 (1887): Phil. Mag. 24, 449 (1887 J. de Phys. 1, 144 (1888).
(стр. 13.)
3) Morley and Miller. "An experiment to detect the Fitz-Gerald-Lorentz effect", Phil. Mag., 9, 680 (1905); Proc. Am. Acad. Arts and Sc., 41, 326 (1905); "On the theory of experiments to detect aberrations of the second degree", Phil. Mag., 9, 669 (1905).
(стр. 15.)
4) Einstein. "Zur electrodynamik bewegter Körper". Ann. d. Physik, 13, 891 (1905).
(стр. 15.)
5) Даты для эпох приняты условные или средние, соответствующие середине каждой серии. Например, в 1925 г. наблюдения продолжались от марта 26 до апреля 8. Обычно наблюдения продолжались не долее чем 2 или 3 недели. — Примечание проф. Миллера.
(стр. 16.)
6) Miller. "Ether-drift experiments at Mount Wilson observatory", Phys. Rev., 19, 407 (1922); Science 55, 496 (1922).
(стр. 17.)
7) Более обширный отчет об этих наблюдениях дается в Proceedings of the National Academy of Science. Т. II, 6, стр. 306 (Iюнь 1925 г.).
(стр. 21.)