книги из ГПНТБ / Джефф Б. Майкельсон и скорость света

11

ДОСТАВШИЙ ЗВЕЗДУ

Это было в 1914 году. Однажды, когда Майкельсон, как всегда один, обедал в клубе Кводрэнгл, к нему по­ дошел Томас С. Чамберлин, профессор геологии Чи­ кагского университета. Он был поглощен одной пробле­ мой и хотел обсудить ее с Майкельсоном.

Сэр Джордж Дарвин создал теорию приливного происхождения системы Земля — Луна, согласно кото­ рой Луна в свое время оторвалась от Земли. Эта теория предполагала, что Земля является вязким телом. Дар­ вин считал, что чрезвычайно высокая температура внут­ ри Земли поддерживает ее в полужидком состоянии. Другой же английский ученый, лорд Кельвин, доказы­ вал, что вследствие огромного внутреннего давления планета наша— твердая, несмотря на высокую темпера­ туру в центре. Оба ученых пользовались громадным ав­ торитетом в научном мире, но один из двоих должен был ошибаться. Возможно, в какой-то мере ошибались оба и истина находилась где-то на полпути.

Теоретические рассуждения не были достаточно убе­ дительными, и среди ученых не существовало единого взгляда. Требовался неопровержимый эксперимент. Было проведено несколько опытов с очень чувствитель­ ным маятником, но они не дали решающих результатов. Майкельсон и Чамберлин подробно обсудили все воз­ можности и, в конце концов, остановились на всемогу­ щем интерферометре. Этот прибор способен определять с абсолютной точностью малейшие расстояния. Может быть, так будет найдено решение.

Из чего состоит ядро Земли?

Майкельсон поставил эксперимент совместно с двумя своими молодыми коллегами — Генри Дж. Гейлом, ко­ торый помогал ему при опытах с измерением скорости света, и физиком Гарвеем Б. Лемоном. На территории Йеркской обсерватории, возле Женевского озера (штат Висконсин), на глубине 1,8 м в землю были зарыты, две трубы, каждая длиной немного более 153 м и диа­ метром 15 см. Одна труба шла с востока на запад, другая — с севера на юг. Концы труб были закрыты стеклянными пластинками, а на месте их соединения была построена камера для наблюдений. Трубы, «апо-| ловину заполненные водой, концами выходили в отде­ ланные бетоном шахты глубиной 3 и 2,5 м в поперечни­ ке, в которых проводились наблюдения. На обоих кон­ цах каждой трубы помещалось по интерферометру.

Притяжение Солнца и Луны, рассуждал Майкель­ сон, вызывающее всем знакомые приливы и отливы в морях и океанах, должно оказывать точно такое же действие на крошечные искусственные «моря», заклю­ ченные в эти две грубы. Степень этого притяжения будет

130

Измерение диаметра сверхгигантской звезды

Исследование ядра Земли не поражало воображение не­ посвященных. Результаты этих исследований были опуб­ ликованы Майкельсоном и Гейлом [28] в 1919 году в четырех различных научных журналах в Америке и за границей и вскоре были забыты. Зато к концу следую­ щего года американские газеты ошеломили всех от мала до велика подлинной сенсацией. 30 декабря 1920 года «Нью-Йорк тайме» объявила огромными буквами на первой странице: «Гигантская звезда, равная*27 мил­ лионам наших Солнц, измерена Майкельсоном... Вели­ чайший триумф науки». Большая диаграмма показыва­ ла относительную величину небесного колосса. На сле­ дующий день газета напечатала передовую статью об этом замечательном научном достижении. Майкельсон был первым ученым в истории, которому удалось из­ мерить угловой диаметр отдаленной звезды.

Известие, что сверхгигантская звезда Бетельгейзе (Альфа Ориона), расположенная в плече созвездия Орион (для земного наблюдателя — крохотная точка красноватого цвета, затерянная в глубинах Вселенной на расстоянии 200 световых лет), имеет диаметр, рав­ ный примерно 380 млн. км, не могло не произвести впечатления. Диаметр этой звезды в 250 раз больше диаметра Солнца, и она в 1200 раз ярче. Рядом с ней наше Солнце с диаметром более миллиона километров кажется карликом. Внутри Бетельгейзе свободно раз­ местилось бы 27 миллионов наших Солнц! Там почти хватило бы места для всей орбиты планеты Марс.

Это было действительно что-то огромное, что-то но­ вое, доступное даже человеку, не знающему высшей ма­ тематики и не умеющему мыслить абстракциями. Здесь все было конкретно и просто. Газеты печатали диаграммы

132

относительной величины звезды Бетельгейзе. В истории науки было мало открытий, которые вызвали бы та­ кой всеобщий и живой интерес, как это эффектное из­ мерение. Майкельсон стал героем дня.

От исследования сокровеннейших тайников мельчай­ ших атомов он перенесся к гигантской звезде в темном пространстве космоса. Однако это не было его первым экскурсом в область астрономии. За тридцать лет до этого, когда он состоял профессором Университета Кларка, - он опубликовал в «Филозофикал мэгэзин» статью [И], в которой описал некоторые наблюдения за двойной звездой Капеллой; эти наблюдения он, по сути дела, проводил тем же методом, что и измерение звез­ ды Бетельгейзе. Две звезды, составляющие Капеллу, находятся так близко одна к другой, что их невозможно было разрешить даже самым сильным из существовав­ ших телескопов. Майкельсон применил свой знаменитый интерферометр, с помощью которого он надеялся изме­ рить «истинную величину телескопических объектов, та­ ких, как планетоиды, спутники и, возможно, звезды». На следующий год он перевез свое оборудование в Ликскую обсерваторию на вершине горы Маунт-Гамильтон в Калифорнии; там с помощью своего ассистента Фрэнка Л. Уодсуорта и профессора Уильяма У. Кемп­ белла Майкельсон измерил величину спутников Юпи­ тера [12].

Работа по измерению звезды Бетельгейзе была пред­ принята по инициативе Джорджа Эллери Хэла, кото­ рый в 1905 году ушел из Чикагского университета и уехал в Калифорнию. Хэл впервые встретился с Майкельсоном в 1888 году на научной конференции в Клив­ ленде, где Майкельсон доложил о только что изобре­ тенном им интерферометре. Позднее Хэл стал препода­ вать в Чикагском университете, где пробыл тринадцать

133

лет. Он часто беседовал с Майкельсоном и имел воз­ можность наблюдать за его работой. Он был убежден, что этот человек способен осуществить невозможное.

обладала наиболее мощным по тем временам телеско­ пом диаметром 2,5 м. Но даже этот гигант был бес­ силен определить диаметр какой-нибудь звезды. Звез­ ды наблюдаются через телескоп в виде световых точек.

Вследствие огромных расстояний, отделяющих звез­ ды от Земли, их невозможно увеличить до размеров дис­ ка, который был бы доступен измерению. Было рассчи­ тано, что для измерения звезды потребуется линза или зеркало с диаметром около б м.

Интерферометр и телескопы

Хэл уговорил Майкельсона попытаться провести изме­ рение звезды. Работы были приостановлены в связи с начавшейся войной, но в 1919 году возобновились. После предварительных опытов с 40-дюймовым рефрактором в йеркской обсерватории Майкельсон и Фрэнсис О. Пиз летом 1920 года испробовали свой метод на 60- и 100-дюймовых телескопах обсерватории Маунт-Вильсон. Зеркало телескопа закрывалось светонепроницаемой крышкой, в которой были две передвигающиеся щели, и телескоп направлялся на измеряемую звезду. В окуляре наблюдателя вследствие интерференции двух диффрагированных пучков света появлялась система интерферен­ ционных полос.

При передвижении щелей система полос медленно изменялась и в какой-то момент, когда щели находились

134

на определенном расстоянии, исчезала совсем. В этой точке

_ 1,22 длины волны света от звезды Расстояние между двумя щелями ’

где а — угол, стягиваемый в телескопе диаметром диска звезды. Исходя из известного расстояния от звезды до Земли, можно было вычислить диаметр звезды в кило­ метрах.

Затем был придуман еще более совершенный способ усиления 100-дюймового телескопа при помощи интерфе­ рометра Майкельсона (фиг. 11). Для этого использова­ лись два передвижных зеркала, которые можно было раздвинуть на расстояние б м. Перпендикулярно к тру­ бе телескопа помещалась стальная балка длиной б м. Свет звезды падал на два передвижных плоских зерка­ ла, расположенных на концах балки под углом 45°, и отражался другими зеркалами в фокус зеркала теле­ скопа. Затем зеркала, помещенные на балке, раздвига­ лись до тех пор, пока не исчезали интерференционные полосы. По расстоянию между двумя зеркалами можно было вычислить угловой диаметр звезды.

13 декабря 1920 года Пиз получил первый результат. Он обнаружил, что угловой диаметр звезды Бетельгейзе равен 0,047 дуговой секунды, и исходя из этого вычис­ лил ее диаметр. Десять дней спустя он провел еще од­ но измерение и послал телеграмму Майкельсону, кото­ рый уехал на совместную сессию Американского физи­ ческого общества и Американской ассоциации содей­ ствия развитию науки. Получив это радостное известие, Майкельсон на другой же день сообщил о результатах опыта собравшимся на сессии. Королевское астрономи­ ческое общество Англии наградило Майкельсона за это достижение золотой медалью.

135

12.

ЗАВЕРШЕНИЕ КРУГА

Не так уж часто приходится человеку семидесяти с лишним лет возвращаться к работе, которой он зани­ мался в молодости, чтобы попытаться уточнить резуль­ таты и без того весьма точных и надежных исследова­ ний, потому что все считают, что никто другой не смо­ жет это сделать лучше его. Такая завидная возможность представилась Майкельсону.

В 1923 году Джордж Эллери Хэл, директор обсерва­ тории Маунт-Вильсон, предложил Майкельсону при­ ехать в Пасадену и провести новое определение скоро­ сти света. Майкельсон принял его предложение с восторгом. Он давно уже ждал случая уточнить ре­ зультаты своего знаменитого измерения 1882 года. Он быстро собрался и выехал в Калифорнию, где орга­ низовал свой штаб у подножия горы Маунт-Вильсон.

Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы МаунтВильсон, а другая — на вершине горы Сан-Антонио,

138