Глава III. Решающий эксперимент

Развитие науки в некотором смысле напоминает вулканическую деятельность. Многие годы, десятилетия, а иногда и столетия какая-то ее область выглядит погасшим вулканом: неискушенному наблюдателю может показаться, что она практически не развивается. И вдруг наступает момент, когда в этой "тихой" области происходит "извержение" новых фактов и идей, которые образуют новый "конус" знаний; их появление позволяет говорить о переходе данной области науки на новый этап развития. Конечно, каждое "извержение" в науке, как и извержение реальных вулканов, имеет свои глубокие причины. Поиск этих причин - важнейшая задача историка. Но даже знание основных законов развития науки не может подавить чувство восхищения перед могучими импульсами человеческого познания.

Периоды необычной, поистине "вулканической" активности знает и история оптики. Первый такой период относится ко второй половине XVII в. Менее чем за пятнадцать лет были сделаны открытия, заложившие основы физической оптики. Чтобы убедиться в этом, достаточно познакомиться со скупым перечнем основных событий:

1665 г. - выходит в свет книга Франческо Гримальди с описанием опытов по дифракции света; публикуется книга Роберта Гука, в которой описаны цвета тонких пленок - одно из проявлений интерференции света;

1669 г. - Эразм Бартолин сообщает о наблюдении двойного лучепреломления в исландском шпате;

1672 г. - появляется мемуар Исаака Ньютона с описанием его опытов, доказывающих объективный характер цвета;

1676 г. - Олаф Рёмер доказывает конечность скорости света;

1677 г. - Христиан Гюйгенс проводит опыты по поляризации света.

За ничтожный по историческим масштабам срок лицо оптики почти полностью преобразилось. Однако XVII век был ознаменован не только блестящими экспериментальными открытиями. Это время рождения двух теорий света, в основе которых лежали различные представления о его природе.

Сторонники одной - корпускулярной - теории считали свет частицами особого рода. Вторая - волновая - теория основывалась на предположении, что свет - это движение некой тонкой материи - эфира. Создание корпускулярной теории связывают обычно с именем И. Ньютона, хотя в действительности его представления о природе света и механизме его распространения нельзя однозначно назвать корпускулярными. (В частности, Ньютон первым обратил внимание на периодичность, проявляющуюся в оптических явлениях.) Наибольший вклад в развитие волновых представлений внесли Гук и Гюйгенс.

Однако не следует думать, что волновая теория окончательно сформировалась в то время: Гук и Гюйгенс не могли объяснить ряд оптических явлений и, кроме того, их представления существенно отличались от современных. Например, Гюйгенс сформулировал принцип: любая точка, до которой дошло световое возмущение, становится источником вторичных волн. Однако, по мнению Гюйгенса, в возмущениях, распространяющихся в эфире, отсутствует какая-либо периодичность, т. е. в его теории рассматривается распространение не волн, а импульсов. Понятно, что на основе таких представлений невозможно объяснить явления дифракции и интерференции, обусловленные именно периодичностью волн.

Нельзя сказать, что в конце XVII в. были приведены решающие доказательства в пользу одной из теорий света. По ряду причин, не последняя из которых - авторитет Ньютона, в XVIII в. большей популярностью пользовалась упрощенная и вульгаризованная (по сравнению с ньютоновской) корпускулярная теория. Лишь немногие были сторонниками теории Гука - Гюйгенса и среди них - Эйлер, Франклин, Ломоносов. Этот век, "век разума", как его иногда называют, кроме открытия аберрации света, не обогатил оптику качественно новыми представлениями. В теории оптических явлений наблюдался застой.

Новый подъем исследований в области физической оптики относится к самому началу XIX в. В это время появились работы английского физика и врача Томаса Юнга (1773-1829), в которых он сформулировал принцип интерференции. Из анализа многочисленных опытов Юнг заключил, что световые возмущения обладают периодичностью, что они - волны, которые, накладываясь, могут либо усиливаться, либо взаимно уничтожаться. В своих работах ученый широко пользовался аналогиями между акустическими и оптическими явлениями, между светом и волнами на воде. Вслед за Юнгом волновые представления о свете развивал выдающийся французский ученый Огюстен Френель (1788-1827). Он дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн (теперь этот принцип называется принципом Гюйгенса - Френеля), объяснил основные закономерности дифракции и прямолинейность распространения света в свободном пространстве - факт, служивший в течение десятилетий камнем преткновения для сторонников волновой теории света.

Острая дискуссия между сторонниками корпускулярной и волновой теорий возникла по вопросам, связанным с поляризацией света. Хотя Френель и выдвинул идею о поперечности световых волн, она не считалась достаточно убедительной, поскольку для объяснения поперечности волн упругому эфиру - переносчику световых возмущений - необходимо было приписать парадоксальные свойства: он должен был быть очень твердым и в то же время не оказывать сопротивления движению тел.

В целом, однако, волновая теория постепенно завоевывала признание физиков. Изощренная с математической точки зрения корпускулярная теория известных французских ученых Ж. Б. Био и С. Д. Пуассона выглядела очень искусственно в сравнении с теорией Френеля. Тем не менее, для окончательной победы волновых представлений необходимо было провести такой опыт, результаты которого могли быть объяснены только на их основе. Такие принципиальные эксперименты физики давно называют решающими, или по-латыни experimentum crucis. Идея решающего опыта в оптике была известна давно. Она связана с главной темой нашего рассказа - измерением скорости света. В качестве решающего рассматривался опыт, состоявший в сравнении скоростей света в веществах с различными коэффициентами преломления.

Объяснение явления преломления света с позиций корпускулярной теории отчасти напоминает объяснение Декарта. Частица света, падая на границу раздела из менее плотной среды, не меняет компоненту скорости, параллельную этой границе. В то же время нормальная компонента скорости частицы растет: только так можно объяснить экспериментальный факт - при переходе света, например, из воздуха в стекло или воду угол падения оказывается больше угла преломления. Заметим, что такая точка зрения не столь уж бессмысленна. Аналогом описанного эффекта может служить прохождение заряженной частицы, например, электрона, через тонкий сетчатый конденсатор, заряженный таким образом, что электрон, попадая в область между обкладками конденсатора, ускоряется. Сходство законов движения заряженных частиц с законами геометрической оптики позволило в XX в. создать новое научное направление - электронную оптику.

Но вернемся к теории света. Важнейший постулат корпускулярной теории гласил, что скорость света в веществе тем больше, чем больше коэффициент преломления, характеризующий вещество^*. Волновая теория со времен Гюйгенса утверждала обратное. Вывод закона преломления на основе принципа Гюйгенса знаком каждому десятикласснику. Из этого закона следует, что относительный коэффициент преломления равен отношению скоростей света в двух средах, т. е.

причем для абсолютных коэффициентов преломления в двух средах n₁ и n₂ выполняется соотношение n₁ < n₂, если υ₁ > υ₂.

^* (В проводимых здесь рассуждениях мы пренебрегаем дисперсией, т. е. зависимостью коэффициента преломления от длины волны (цвета) света.)

Таким образом, измерение скорости света в разных средах удовлетворяло важнейшему требованию, предъявляемому к решающему опыту: выбор в пользу той или иной теории мог быть сделан даже при чисто качественной постановке опыта. Если скорость света в воздухе окажется больше, чем, например, в воде, то следует признать справедливость волновой теории, если результат опыта будет обратным - победа за корпускулярной теорией.

Идея ясна. Но так же очевидны и трудности, стоящие на пути ее реализации. Основная проблема состоит в том, что опыт надо производить на Земле, астрономия здесь не поможет. Следовательно, расстояния, которые должен проходить свет во время опыта, не могут превосходить нескольких километров. Значит, требуется разработать метод регистрации процессов, протекающих за ничтожные доли секунды: если длина пути света l = 30 км, то время его движения t = 10^-4 с. В наши дни такие промежутки времени кажутся физикам огромными, но в первой половине XIX в. их измерение представляло серьезную техническую задачу.

История физики знает немало примеров, когда изобретение какого-либо прибора или нового метода измерений приводило к значительному прогрессу исследований в областях, весьма далеких от тех, к которым относились эти изобретения. Это в полной мере относится к истории первых "земных" методов измерения скорости света.

В середине 30-х годов XIX в. французский физик Доминик Франсуа Араго, непременный секретарь Парижской Академии наук, возбудил ходатайство о выборе на вакантное место члена-корреспондента Академии английского физика Чарльза Уитстона (1802-1875). В наши дни этот физик известен в основном благодаря способу определения сопротивлений, так называемому "мостику Уитстона". По иронии судьбы имя Уитстона оказалось присвоенным не его изобретению - мост сопротивлений был создан английским ученым С. Кристи; в то же время, такое важное изобретение Уитстона как реостат осталось безымянным.

Араго был хорошо знаком с работами Уитстона. Наиболее важной из них, послужившей поводом для выдвижения кандидатуры английского физика на выборах в Парижскую Академию, Араго считал опыты по "определению скорости распространения электричества". Эта работа Уитстона интересна по ряду причин. Во-первых, в ней, пусть косвенно, впервые соприкоснулись скорость света и скорость распространения электрических возмущений. Во-вторых, она дала толчок к измерению скорости света в различных средах. В-третьих, эксперимент Уитстона можно рассматривать как предвосхищение опытов Герца, в которых было доказано существование электромагнитных волн. И все же главное в опыте Уитстона - это создание нового способа исследования быстропротекающих процессов.

"Перемещение светящейся или освещенной быстро движущейся точки, как известно, воспринимается как непрерывная линия вследствие инерции зрительного ощущения. Нет ничего особенного в появлении этой линии, с помощью которой можно определить либо направление, либо скорость породившего ее движения. Несколько лет назад мне пришло в голову, что если движение, благодаря которому описывается такая линия, сложить с другим движением, направление и скорость которого известны, то из анализа получившейся прямой или изогнутой линии легко можно будет определить скорость и направление первого движения. Следуя этой идее, я проделал серию экспериментов, связанных с колебательным движением звучащих тел", - так начинает свою работу Уитстон. Успех акустических опытов позволил ученому обратиться к исследованию процессов, протекающих в электрических цепях. Не останавливаясь на первых экспериментах, давших отрицательный результат, рассмотрим основной опыт Уитстона.

Электрическая часть экспериментальной установки включала следующие основные элементы: два очень длинных (по 400 м каждый) куска медной изолированной проволоки, лейденскую банку (конденсатор), которая заряжалась с помощью электрической машины, и систему разрядных промежутков (разрядников). Три разрядника 1-2, 3-4 и 5-6 показаны на рис. 8. Четвертый разрядник, не показанный на рисунке, был устроен таким образом, что расстояние между его шарами можно было периодически менять. В момент наибольшего сближения шаров между ними проскакивала искра. Возникновение искры приводило к изменению потенциала проводников, соединявших четвертый разрядник с системой промежутков 1-2, 3-4 и 5-6, вследствие чего в них тоже происходили разряды. Электрическая схема подсоединения разрядников такова, что искры в крайних промежутках 1-2 и 5-6 должны возникать одновременно, независимо от того, конечна или нет скорость распространения "электрического возмущения". Разрядник 3-4 подсоединен к системе с помощью длинных проводов, о которых упоминалось выше. Поэтому если "электрическое возмущение" (т. е. изменение потенциала) передается по проводам с конечной скоростью, то искра в этом разрядном промежутке должна возникать несколько позже, чем в разрядниках 1-2 и 5-6. Если определить время запаздывания одного разряда по отношению к двум другим, то, зная длину проводников, можно найти "скорость распространения возмущения электрического равновесия". Уитстон считал, что определение величины этой скорости - это второй этап исследования. На первом этапе необходимо было доказать ее конечность.

Рис. 8. Разрядные промежутки, использовавшиеся Уитстоном

Важнейшую часть установки составляла оптическая система, специально разработанная Уитстоном. Разрядные промежутки были смонтированы на держателе, который крепился на стене таким образом, чтобы линия, проходящая через центры промежутков, была горизонтальной. Ось вращения зеркала - важнейшего элемента установки, также располагалась горизонтально (рис. 9). Разряд в каждом из промежутков длился конечное время t, в течение которого зеркало успевало повернуться на угол α. При этом изображение искры во вращающемся зеркале смещалось, и глаз, обладающий инерцией восприятия, фиксировал не точку-вспышку, а светящийся отрезок прямой. В установке Уитстона наблюдатель видел три отрезка - следы изображения трех искр. Если бы все три разряда происходили одновременно, то соответствующие концы светящихся отрезков находились бы на одной прямой. Если же, как в опыте Уитстона, искры в крайних промежутках проскакивают одновременно и опережают искру среднего промежутка, то след изображения средней искры будет сдвинут относительно следов изображений крайних искр. Направление сдвига зависит от направления вращения зеркала.

Рис. 9. Часть установки Уитстона с вращающимся зеркалом Е. F - ось, приводившаяся во вращение с помощью ременной передачи

На рис. 10 изображена установка Уитстона в целом (без разрядных промежутков). Ее основными частями являются: вращающееся зеркало Е, укрепленное на шкиве, который приводится во вращение с помощью ременной передачи от колеса LK, лейденская банка М, заряжаемая через проводник N, линза R, через которую ведется наблюдение, расположенная над зеркалом. Возникновение разрядов синхронизировано с вращением зеркала, поэтому при соблюдении постоянства скорости вращения наблюдатель видит неподвижные следы изображений искр.

Рис. 10. Общий вид установки Уитстона

Результат, полученный Уитстоном, подтвердил гипотезу о конечности скорости распространения электрических возмущений. Однако надежных количественных результатов получить не удалось: был сделан ошибочный вывод о том, что найденная скорость превышает скорость света.

Высокая оценка опытов Уитстона, данная Араго, была связана не с полученными результатами, а с возможностью широкого применения предложенного метода вращающегося зеркала для решения других задач. Одно из возможных применений, по мнению Араго, состояло в измерении скорости света в различных средах. То обстоятельство, что именно Араго обратил внимание на возможность использования метода вращающегося зеркала для постановки важнейшего для оптики эксперимента, не было случайностью. Араго посвятил оптическим исследованиям многие годы, и для него вопрос об однозначном доказательстве справедливости волновой теории света представлял особый интерес. Его чуткая научная интуиция подобно камертону сразу же отозвалась на предложение английского физика, хотя, на первый взгляд, опыты Уитстона непосредственно не относились к оптике. Отклик Араго - свидетельство широкого научного кругозора, характерного для этого замечательного ученого.

Араго (1786-1853) был выпускником знаменитой Политехнической школы, созданной в Париже в эпоху Великой французской революции. Это учебное заведение славилось высоким уровнем преподавания.

Научные интересы Араго относились преимущественно к оптике и астрономии. Наука обязана ему важными исследованиями в области поляризации света. Именно увлечение оптикой заставило ученого обратить внимание на работы молодого инженера О. Френеля. Араго во многом способствовал успеху работ Френеля по волновой оптике; ряд экспериментальных исследований они выполнили вместе. Особую известность получил опыт Френеля и Араго, доказавший существование "пятна Пуассона". При обсуждении одной из работ Френеля в Академии наук Пуассон, активный сторонник корпускулярной теории света, заметил, что в определенных условиях, согласно волновой теории Френеля, в центре тени малого препятствия должно наблюдаться светлое пятно. По мнению Пуассона, этот вывод противоречил здравому смыслу. Однако контрольный эксперимент, поставленный Араго совместно с Френелем, подтвердил существование светлого пятна и тем самым дал новое доказательство в пользу волновой теории.

Вернемся теперь к предложению Араго. В конце 1838 г. ученый выступил на заседании Академии с сообщением, в котором была сформулирована идея опыта по сравнению скоростей распространения света в воздухе и в жидкости. Заметьте, это произошло ровно через 200 лет после выхода в свет "Бесед" Галилея с описанием гипотетического опыта по определению скорости света. Как заметно за это время изменился подход к проведению физических экспериментов!

Предложение Галилея - это, скорее, мысленный эксперимент, поскольку его автор не привел никаких соображений относительно возможности получения в ходе опыта положительного результата. Араго подошел к проблеме по-иному, хотя начал свое сообщение, как и Галилей, с описания принципа эксперимента.

На вращающееся вокруг вертикальной оси ММ (рис. 11) плоское зеркало падают два луча света а и а′, идущие от точечных источников А и А′; лучи а и а′ лежат в одной вертикальной плоскости. Допустим, что длительность свечения источников А и А′ ничтожно мала, и они включаются строго одновременно. Если оба луча пройдут один и тот же оптический путь, то возникшие после отражения от зеркала изображения точек А и А′ будут лежать на одной вертикали. Тот же результат получится и при разных оптических путях, но неподвижном зеркале. Теперь допустим, что верхний луч а проходит на своем пути к зеркалу через трубу, наполненную водой, а луч а′ проходит через воздух. И корпускулярная, и волновая теории утверждают, что свет от источников А и А′ в этом случае дойдет до зеркала за разное время. Расходятся обе теории только в том, какой из лучей раньше отразится от зеркала. Ясно, что если оно вращается, то лучи после отражения уже не будут параллельны. Действительно, зеркало за время, протекшее между двумя отражениями, повернется на некоторый угол α. Тогда легко видеть, что лучи разойдутся на угол 2α. Это расхождение можно попытаться зарегистрировать. Удобнее проводить наблюдения в том случае, когда используются не два точечных источника, а узкая вертикальная щель, свет от верхней половины которой проходит через трубу с водой, а от нижней - через воздух. При такой форме источника наблюдатель должен увидеть "раздвоение" изображения щели. Если при вращении зеркала по часовой стрелке нижняя половина изображения будет расположена справа от верхней, то будет подтверждено мнение сторонников волновой теории о том, что скорость света в воздухе больше, чем в воде, если относительное расположение изображений будет обратным, то скорость света в воздухе должна быть меньше, чем в воде, как утверждают приверженцы корпускулярной теории света.

Рис. 11. Рисунок, поясняющий идею опыта Араго. А и А′ - источники света, L - труба с водой, S - зеркало, вращающееся вокруг оси ММ

"Все вышесказанное точно с теоретической, вернее, с логической точки зрения. Теперь, и это очень деликатный момент, осталось доказать, что, несмотря на колоссальную быстроту света, несмотря на скорость около 80000 льё^* в секунду, несмотря на то, что мы вынуждены иметь дело с короткими трубами, наполненными жидкостью, несмотря на ограничение скорости вращения зеркала, относительное смещение двух изображений (вправо или влево), существование которого я доказал, должно быть наблюдаемо с помощью наших инструментов".

^* (Льё - принятая в XIX в. во Франции мера длины; 1 льё = 3,75 км.)

Из этого отрывка, взятого из работы Араго 1838 г., отчетливо видно, в чем состоит отличие его подхода к проблеме проведения эксперимента от подхода Галилея. Далее в работе начинается скрупулезный анализ деталей предполагаемого опыта. Последовательно ставятся вопросы:

1. Какова возможная скорость вращения зеркала?

2. Какова должна быть продолжительность искрового разряда, чтобы при его возможно меньшей длительности глаз смог воспринять изображение?

3. Сможет ли свет пройти через слой жидкости нужной толщины?

4. Какова эта толщина?

На первый вопрос Араго с уверенностью ответил, что доступная скорость вращения зеркала при использовании зубчатой передачи составляет около 1000 оборотов в секунду. Однако, как считал Араго, эту скорость можно увеличить, если вращающееся зеркало с приводом расположить, скажем, на столике, который в свою очередь вращается с той же частотой. Таким образом можно удвоить и даже утроить и учетверить скорость вращения зеркала относительно неподвижных источников света.

Из анализа результатов, полученных Уитстоном, Араго заключил, что использование электрической искры позволяет удовлетворить требованиям опыта с точки зрения продолжительности вспышки.

Для ответа на третий вопрос Араго воспользовался результатами исследований поглощения света, которые были проведены еще в XVIII в. французским физиком Бугером, одним из создателей фотометрии.

Наконец, Араго оценил необходимую длину l трубы с водой. Значение, полученное при оценке, зависит от того, какой теории света придерживаться, причем большая длина (худший случай) получается при допущении справедливости корпускулярной теории. Именно этот случай и рассмотрел Араго: и в наши дни при проведении предварительных оценок физики рассматривают наиболее неблагоприятные ситуации.

Логика рассуждений Араго такова. С помощью зрительной трубы наблюдатель может зафиксировать угловое расхождение лучей 2α = 1′. Тогда за время запаздывания одного луча относительно другого зеркало должно повернуться на угол α = 0′, 5. При скорости вращения 1000 об/с этот поворот происходит за время Δt = 2,3⋅10^-8 с. Согласно корпускулярной теории скорость света в воде в n = 1,33 раза больше, чем в воздухе. Следовательно, запаздывание на время Δt возникает при прохождении лучами в разных средах пути, определяемого выражением

где l - длина трубы, υ - скорость света в воздухе. Отсюда

Скорость света в воздухе для оценки можно было принять равной скорости света, определенной из астрономических наблюдений. Тогда l = 28 м. Аналогичный расчет на основе волновой теории дает l = 21 м.

Араго понимал, что при такой толщине слоя жидкости наблюдатель вряд ли сможет заметить изображение искры, видимое в течение очень короткого промежутка времени. Однако ситуация может существенно измениться, если увеличить скорость вращения зеркала. Кроме того, с помощью зрительной трубы в действительности можно фиксировать угловые расстояния меньше 1′. Араго высказал и другие предложения по усовершенствованию опыта. В целом заключение Араго звучит оптимистично: решающий опыт для выбора между двумя теориями света может быть осуществлен!

Доклад Араго был воспринят с одобрением. Его опубликовали в журнале Академии, на него обратили внимание за рубежом. Физики с интересом ждали результатов эксперимента, который намеревался поставить Араго. Однако шли годы, а сообщений о проведении опыта все не было. В чем причина этой задержки?

Сейчас, полтора века спустя, можно сразу указать существенные недостатки в проекте Араго, делавшие его практически неосуществимым. Прежде всего, при использовании раздельных источников невозможно было синхронизировать их включение с достаточной точностью. Как уже говорилось, Араго сам предложил улучшенный вариант опыта, в котором использовался один протяженный источник. Однако даже в этом случае экспериментатор должен был столкнуться со значительными трудностями. Поскольку вращение зеркала не синхронизировалось с включением источника, нельзя было указать направление, в котором должно было наблюдаться изображение щели. При каждой вспышке изображение могло возникать в новом месте. Араго предложил проводить опыт с участием нескольких наблюдателей, рассаженных по кругу и вооруженных каждый своей зрительной трубой. Однако при кратковременном включении источника в отсутствие повторяемости наблюдения шансов заметить "раздвоение" изображения было очень мало.

Мы перечислили трудности, которые можно было ожидать. Однако при попытке реализации опыта встретились и другие, чисто технические проблемы, о которых более десяти лет спустя рассказал сам Араго.

Для создания системы с вращающимся зеркалом ученый привлек известного парижского механика и часовщика Луи Бреге, представителя династии часовщиков, по фамилии которых назван один из типов карманных часов - "брегет". Бреге удалось изготовить систему из трех вращающихся зеркал. Использование трех зеркал позволяло увеличить угол расхождения между лучами и, следовательно, уменьшить длину трубы с водой. Однако оказалось, что изображение искры после трех отражений становилось практически невидимым. Пришлось отказаться от многократных отражений и попытаться увеличить скорость вращения единственного зеркала установки. Здесь исследователи столкнулись с непредвиденными трудностями. Ось с насаженным на нее зеркалом вращалась с максимальной скоростью 1000 об/с. В то же время без зеркала скорость вращения оси достигала величины 8000 об/с. Причина различия, как казалось Араго, заключалась в сопротивлении воздуха, возникающем при быстром вращении зеркала. Был сконструирован специальный кожух, в котором могла помещаться установка и из которого откачивался воздух. Вся система была смонтирована на каменной колонне в Парижской обсерватории, но ... зеркало при откачанном кожухе не стало вращаться быстрее. По этому поводу Араго сказал, что постигшая его неудача - лишнее подтверждение поговорки "Лучшее - враг хорошего". Экспериментаторы снова вернулись к системе с тремя металлическими зеркалами, пытаясь увеличить их коэффициент отражения. Довести до конца эту работу не удалось: резкое ухудшение зрения заставило Араго отказаться от проведения опыта. Поэтому и пришлось физикам ждать первого "земного" определения света более десяти лет.

Следует обратить внимание читателей на тот факт, что опыт, предложенный Араго, - чисто качественный. Хотя в конце доклада Араго и сказал, что оставляет за собой право предложить схему опыта для определения абсолютной величины скорости света, этим правом он не воспользовался. В то же время измерение величины с в земных условиях представляло принципиальный интерес, поскольку, с одной стороны, могло подтвердить правильность астрономических способов определения с, а с другой, - было бы первым шагом на пути к опыту по сравнению скоростей света в различных средах.

Итак, благодаря исследованиям Уитстона и Араго идея решающего эксперимента получила солидное обоснование. Была выполнена большая подготовительная работа. Однако заслуга в осуществлении experimentum crucis принадлежит уже ученым следующего поколения.

Судьбы ученых и научных проблем часто переплетаются. Проблема "земного" определения скорости света стала вехой в жизни сразу двух ученых: Ипполита Физо и Леона Фуко. Редко случается, чтобы начало жизненного пути двух ученых, интересующихся одной проблемой, совпадали так, как у этих выдающихся французских оптиков.

Фуко родился 19 сентября 1819 г. в Париже, в семье довольно известного издателя и книготорговца. В детстве Леон был тщедушным, болезненным мальчиком, не проявлявшим особого интереса к учебе. А учиться ему вследствие слабого здоровья приходилось урывками, из-за этого среднее образование Фуко получил очень поздно. Однако с раннего детства у него проявился исключительный талант к ручному труду. Уже в 13 лет Леон почти без инструментов сумел собрать модель паровой машины. Этот талант и определил первоначальный выбор дальнейшего пути Фуко - он решил стать хирургом. Все обещало блестящую будущность студенту-медику, но ... вид крови и человеческих страданий Фуко переносить не мог, поэтому через некоторое (время он бросил занятия хирургией. Однако медицина все же помогла молодому человеку найти свое истинное призвание. Благодаря ей он познакомился с преподавателем клинической микроскопии Донне, который привлек Фуко к совместным научным исследованиям.

Первые самостоятельные исследования ученый выполнил в новой, только родившейся тогда области оптики - фотографии или, как ее тогда называли, дагерротипии. В связи с этой работой он обратился за консультацией к другому молодому физику - Ипполиту Физо.

Леон Фуко (1819-1868)

Физо моложе Фуко всего на четыре дня. Он был старшим сыном в обеспеченной семье врача. Его отец занимал кафедру внутренней патологии на медицинском факультете Парижского университета. Ипполит мечтал пойти по стопам отца и начал учиться медицине, но из-за болезни прервал учебу, чтобы сменить климат. По возвращении в Париж интерес к медицине уступил место желанию заняться физикой. Не будучи формально студентом какого-либо учебного заведения, Физо начал слушать лекции известного физика, члена Парижской Академии наук Реньо, следил по конспектам брата за лекциями, читавшимися в Политехнической школе. Большой удачей Физо можно назвать его встречу с Араго, который пригласил молодого человека на работу в Парижскую обсерваторию.

Арман Ипполит Физо (1819-1896)

Как и у Фуко, первые научные работы Физо связаны с попытками усовершенствовать процесс фотографии, в частности, упростить процесс проявления негативов. Когда впервые сошлись пути Фуко и Физо, последний был уже сложившимся специалистом в этой области. Первые научные контакты переросли в сотрудничество. Не без влияния Араго, Физо и Фуко совместно провели ряд важных опытов, подтвердивших волновую природу света. В историю науки вошли их эксперименты по наблюдению интерференции света при больших разностях хода двух лучей: в 1846 г. им удалось наблюдать интерференцию при разности хода в 7000 длин волн. Важную роль в успехе этих опытов сыграло применение монохроматического света. Интересно отметить, что схема получения монохроматического излучения, применявшаяся Физо и Фуко, почти в точности совпадает со схемой, которую несколько лет спустя использовали Г. Кирхгоф и Р. Бунзен при открытии спектрального анализа. Физо и Фуко также наблюдали интерференцию инфракрасного излучения. Однако, несмотря на блестящие результаты сотрудничества, в конце 40-х годов содружество Физо и Фуко распалось, и наступила пора их научного соперничества. Его предметом стало измерение скорости света в земных условиях.

Рис. 12. Схема опыта Физо. A - источник света, m₁ - полупрозрачное зеркало, m₂ - плоское зеркало, а - зубчатое колесо, O₁ - O₃ - объективы, O₄ - окуляр

В решении этой проблемы Физо и Фуко пошли разными путями. Физо решил сначала измерить абсолютную величину скорости света в воздухе и лишь затем поставить решающий эксперимент. Фуко сразу занялся постановкой experimentum crucis. Первым успеха добился Физо.

Принципиально схема опыта Физо напоминает схему гипотетического опыта Галилея с тем отличием, что второй наблюдатель заменен неподвижным зеркалом (рис. 12). Свет от источника А проходил через объектив O₁ и падал на полупрозрачное зеркало m₁ и частично от него отражался. Отраженные лучи формировали изображение источника в точке а, находившейся в плоскости, в которой вращалось зубчатое колесо, разбивавшее световой луч на импульсы. Свет, прошедший между зубцами колеса, через оптическую систему O₂ направлялся параллельным пучком в объектив O₃, затем падал на плоское зеркало m₂, отражался от него и возвращался к зубчатому колесу. Если за время движения света от колеса до зеркала m₂ и обратно колесо поворачивалось таким образом, что на месте прорези, через которую прошел свет, оказывался зубец, то наблюдатель, располагавшийся за полупрозрачной пластинкой m₁ и окуляром O₄, видел поле зрения затемненным. Если же на пути света вновь оказывалась прорезь, свет проходил к наблюдателю, и поле зрения было освещенным. Ясно, что при постепенном увеличении скорости вращения колеса периодически будут наблюдаться затемнения и просветления поля зрения. Первое затемнение наступит тогда, когда колесо за время движения до зеркала m₂ и обратно повернется на половину углового расстояния между двумя зубцами, т. е. на угол α₁ = 360°/2n, где n - число зубцов колеса; просветление наступит при вдвое большем угле поворота, следующее затемнение - при α = 3α₁ и т. д.

Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало m₁ располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало m₂ - на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло l ≈ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса υ = 12,6 об/с. Время движения света t = 2l/c поэтому

где ω = 360° υ, и

Подстановка численных значений n, l, υ дает с = 3,14⋅10⁸ м/с, т. е. величину, хотя и большую полученной из астрономических наблюдений, но близкую к ней. Несмотря на значительную погрешность измерений, опыт Физо имел огромное значение - возможность определения скорости света "земными" средствами была доказана.

Почему Физо, безусловно, знакомый с работой Араго, в своих первых опытах не воспользовался предложенным в ней методом? Причин, по-видимому, было две. Во-первых, сказалось желание молодого ученого идти своим собственным путем. Во-вторых, как уже отмечалось, опыт Араго - качественный, а Физо хотел провести измерения абсолютной величины с. Преимущество метода Физо перед методом Араго состояло в том, что при использовании колеса с большим числом зубцов отпадала необходимость достижения больших скоростей вращения. Кроме того, сам опыт Физо состоял в сравнении освещенности поля зрения при разных скоростях вращения колеса. Измерению подлежала только скорость вращения; при скоростях в несколько десятков оборотов в секунду эти измерения не составляют труда. Значительно больше хлопот доставляла настройка системы, части которой удалены на значительное расстояние. Однако эту трудоемкую операцию нужно было провести только один раз. И все же не следует относиться к опыту Физо как к простому и легко осуществимому: представьте, что в качестве источника света ученый использовал керосиновую лампу!

После завершения описанных экспериментов, о которых Физо доложил в 1849 г., он обратился к задаче Араго. К этому времени Фуко уже довольно далеко продвинулся в ее решении. Следует подчеркнуть научную честность и принципиальность, проявленную этими физиками при постановке опытов.

С точки зрения научной этики ситуация была непростая. Использование чужих идей всегда чревато неприятными приоритетными объяснениями. О том, как вели себя в создавшейся ситуации Физо и Фуко, рассказал Араго.

"Проблема находилась в таком состоянии (т. е. никто не брался за осуществление опыта. - С. Ф.), когда господин Физо с помощью весьма остроумного опыта определил скорость света в атмосфере. Этот опыт не описан в моем мемуаре, и автор имел право проводить его без всякого опасения услышать упрек в нечестности. Что касается опыта по сравнению скоростей света в жидкости и воздухе, автор (Физо. - С. Ф.) написал мне: "Я еще не проделал ни одного эксперимента в этой области и не сделаю этого, если только не получу Вашего формального предложения". Эта честная сдержанность лишь улучшила сложившееся у меня мнение о характере и работах господина Физо, и я поспешил разрешить господину Бреге одолжить Физо одно или несколько из моих вращающихся зеркал.

Господин Фуко, изобретательность которого известна Академии, сам пришел ко мне, чтобы уведомить о своем желании подвергнуть опытной проверке усовершенствование, которое он хотел внести в мою аппаратуру. Из-за состояния зрения я мог лишь снабдить рекомендациями экспериментаторов, которые хотели следовать моим идеям..."

Таким образом, Араго благословил молодых физиков на осуществление задуманного им опыта. Однако и Фуко, и Физо, работавший вместе с Бреге, внесли существенные изменения в схему Араго. Особенно оригинальна установка Фуко.

Рис. 13. Схема опыта Фуко. α - луч света от источника, L и L - линзы, g - полупрозрачная пластинка, m(m′) - плоское вращающееся зеркало, M и M′ - вогнутые зеркала с центром кривизны в точке C, T - труба с водой, О - зрительная труба

Его схема показана на рис. 13. Свет от источника а проходит через полупрозрачную пластинку g собирающую линзу L и падает на плоское зеркало, которое может вращаться вокруг вертикальной оси. В положении m зеркало отражает свет к неподвижному вогнутому зеркалу M, имеющему радиус кривизны R. Оптический центр C зеркала M лежит на оси вращения плоского зеркала. Пусть сначала плоское зеркало неподвижно. Тогда, отражаясь от зеркала М, свет идет обратно к плоскому зеркалу, отражается от него, снова проходит через линзу L к пластинке g, от которой частично отражается в направлении а и попадает в зрительную трубу О, используемую для наблюдений. Линза L расположена таким образом, что из нее выходят сходящиеся лучи, которые в отсутствие плоского зеркала сформировали бы изображение источника в точке S на расстоянии R от точки С (рис. 14). Такие расположение зеркал и линзы приводит к тому, I что изображение мнимого источника S, формируемое плоским зеркалом (точка S* на рис. 14) при его вращении описывает окружность, радиус которой равен радиусу кривизны зеркала М. Поскольку оптическая ось зеркала М образует с оптической осью линзы острый угол, весь свет, посланный плоским зеркалом к зеркалу М, после отражения вновь падает на плоское зеркало. При этом изображение источника после двух отражений от плоского зеркала и одного - от вогнутого формируется в точке S независимо от того, как ориентировано плоское зеркало.

Рис. 14. Схема, поясняющая образование изображения источника в установке Фуко

Те же рассуждения справедливы и для случая, когда плоское зеркало находится в положении m′ и отражает свет к вогнутому неподвижному зеркалу М′. На пути света от плоского зеркала к зеркалу М′ помещается труба, наполненная водой. Для компенсации смещения изображения источника, возникающего вследствие прохождения светом слоя воды, используется линза L′. Таким образом, положение изображения источника определяемое глазом при наблюдении в трубу О, не зависит ни от ориентации плоскости зеркала, ни от того, какое из вогнутых зеркал отразило свет.

Теперь допустим, что плоское зеркало вращается. Поскольку за время движения от этого зеркала до М (или М′) и обратно плоское зеркало успевает повернуться на некоторый угол, изображение источника после трех отражений уже не будет совпадать с S. Смещение изображения, возникающего после отражения от зеркала М, будет происходить в ту же сторону, что и смещение изображения, формируемого светом, отраженным от М′. Однако вследствие различия в величинах скорости света в воде и воздухе сдвиги изображений, наблюдаемых в зрительную трубу, будут разными (α′ и α′ на рис. 13). Для решения вопроса о том, в какой среде скорость света больше, достаточно определить, какое изображение сильнее сдвинулось: чем больше сдвиг, тем больше время движения света между двумя отражениями от плоского зеркала и, следовательно, меньше скорость света. Поскольку больше смещалось изображение, сформированное светом, отразившимся от зеркала М′, Фуко сделал вывод о справедливости волновых представлений о свете.

В чем заключается преимущество схемы Фуко перед схемой Араго? В своей докторской диссертации Фуко сформулировал основной принцип эксперимента как "получение неподвижного изображения быстро движущегося изображения". Двукратное отражение от плоского зеркала и удачное расположение вогнутых зеркал позволило проводить наблюдение быстро меняющихся, но возникающих в одном и том же месте изображений, которые в силу инерции зрения воспринимаются наблюдателем как постоянное и неподвижное. Применение вогнутых зеркал, кроме того, увеличило светосилу установки, т. е. повысило яркость изображения.

Интересны технические детали установки Фуко. В качестве объекта, изображение которого наблюдалось в зрительную трубу, ученый использовал либо систему параллельных тонких платиновых нитей, натянутых на строго определенном расстоянии друг от друга, либо одну нить. В первом случае система нитей в совокупности с окулярной микрометрической шкалой трубы О создавала некое подобие нониуса - приспособления для более точного отсчета смещений, применяемое, например, в штангенциркуле. Для того чтобы лучше различать изображения, формируемые при отражении от различных вогнутых зеркал, Фуко, во-первых, применил зеленый светофильтр для света, идущего через трубу с водой (свет зеленого участка спектра меньше поглощается в воде), а во-вторых, изготовил специальные "маски" на зеркала М и М′, так что вертикальный размер изображений нити оказался различным. Источником света в опыте служил гелиостат - прибор, позволяющий концентрировать солнечные лучи и снабженный часовым механизмом, который так регулирует ориентацию зеркала гелиостата по мере изменения положения Солнца, что изображение светила возникает все время в одном и том же месте.

Вода заполняла свинцовую трубу длиной 3 м, с обоих концов закрытую плоскими стеклянными пластинками. Фуко опасался разрушающего действия центробежных сил, возникающих в системе зубчатых колес Бреге. Поэтому он создал оригинальную аппаратуру, приводившую во вращение легкое круглое зеркальце диаметром 14 мм, в которой число вращающихся частей было уменьшено до минимума (рис. 15). Зеркальце было укреплено на оси паровой турбинки, подобной сирене, широко применявшейся в то время для акустических опытов. Струя пара создавалась маленькой моделью паровой машины Уатта; источником теплоты, подводимой к машине, служила спиртовка.

Рис. 15. Общий вид установки Фуко

Турбинка могла развивать до 800 об/с, однако Фуко проводил наблюдения при скорости вращения около 500 об/с. Эту скорость он измерял стробоскопически: зубчатое колесо часового механизма с известной скоростью хода освещалось светом, отраженным от плоского зеркальца; если при этом колесо казалось неподвижным, значит, скорость вращения зеркальца в целое число раз отличалась от скорости колеса.

Первые опыты Фуко были чисто качественными, однако на его установке после необходимых изменений можно было производить и абсолютные измерения скорости света, причем более точные, чем по методу Физо. Правда, между первым опытом и измерением скорости света в воздухе прошло 12 лет, но зато значение скорости, полученное Фуко, оказалось гораздо ближе к принятому в наши дни, чем результат Физо. Фуко получил значение с = 298000 ± 500 км/с. В установке 1862 г. Фуко заставил свет отражаться от нескольких вогнутых зеркал, тем самым увеличив путь, проходимый светом между двумя отражениями от плоского зеркала, до 20 м. Относительно более высокая точность его опыта определялась тем, что зеркало вращалось с постоянной скоростью и процесс измерений не был связан с какими-либо субъективными впечатлениями, как в методе Физо.

В том же номере журнала Парижской Академии наук, в котором была опубликована работа Фуко, появилось и сообщение о подготовленном опыте Физо и Бреге. Правда, к моменту публикации наблюдения еще не были проведены, но впоследствии на своей установке Физо и Бреге подтвердили выводы Фуко. Таким образом, волновая теория успешно выдержала проверку решающим экспериментом.

Как же в дальнейшем сложилась судьба Фуко и Физо?

Фуко после успеха экспериментов 1850 г. на время оставил оптику. В следующем году он поставил знаменитый опыт с маятником, доказавший вращение Земли вокруг своей оси. За этот блестяще задуманный и проведенный эксперимент он был награжден крестом Почетного легиона. В 1853 г. Фуко было предоставлено место в Парижской обсерватории. Работы Фуко получали все большее признание. Лондонское Королевское общество присудило ему медаль Копли. Фуко стал иностранным членом Петербургской и Берлинской Академий наук, членом французского Бюро Долгот и офицером Почетного легиона. Наконец, в 1865 г. он был избран действительным членом Парижской Академии наук на место умершего физика Клапейрона. Не останавливаясь на достигнутом, Фуко продолжал упорно работать почти во всех областях физики. Занимаясь механикой, он изобрел гироскоп и механические регуляторы, которые по своим качествам значительно превосходили регуляторы Уатта. В области электричества Фуко изучал проводимость жидкостей и индукционные токи, возникающие в массивных проводниках в переменном магнитном поле; эти токи впоследствии стали называть токами Фуко. Продолжал Фуко и оптические исследования. Ему удалось создать новую конструкцию фотометра; астрономическая оптика обязана ему идеей изготовления зеркал из металлизированного стекла, что позволило существенно упростить изготовление зеркал и улучшить их качество. Фуко принадлежит и изобретение метода контроля качества линз и зеркал. Отметим, что интерес ученого к астрономической оптике связан с его увлечением астрофизикой.

Оценивая достижения Фуко в целом, можно сказать, что в его лице французская наука получила выдающегося мастера тонкого физического эксперимента. К сожалению, тот факт, что в своих работах Фуко редко пользовался математикой, породил у некоторых ученых мужей пренебрежительное отношение к его творчеству: они считали его не ученым, а "удачливым лудильщиком". Это отношение выразилось, например, в том, что известный французский астроном У. Леверье препятствовал Фуко в проведении астрофизических наблюдений в Парижской обсерватории. Об этой несправедливости можно тем более пожалеть, что в действительности Фуко всю свою не слишком долгую жизнь посвятил бескорыстному служению науке. Он умер от болезни мозга в 1868 г.

Физо намного пережил своего коллегу и соперника. Его научные достижения были оценены по достоинству. Он был избран в Академию; Лондонское Королевское общество наградило Физо медалью Румфорда и избрало его своим иностранным членом.

Еще до проведения первых опытов по измерению скорости света Физо опубликовал работу, в которой рассмотрел распространение света от движущихся источников. Он независимо от австрийского физика К. Доплера пришел к выводу о зависимости частоты света, регистрируемого наблюдателем, от скорости движения источника света. В некоторых деталях работа Физо превосходила работу Доплера, и хотя она была опубликована на шесть лет позже (в 1848 г.), эффект изменения частоты света и звука вследствие движения источника или наблюдателя теперь часто называют эффектом Доплера - Физо.

В 1849 г. Физо вместе с инженером Е. Гунелем попытался применить метод прерываний для измерения скорости распространения электрических воздействий. В их установке использовалось колесо, составленное из чередующихся проводящих и изолирующих частей. Однако получить надежные, однозначные результаты исследователям не удалось.

После опытов 1850 г., выполненных совместно с Бреге, Физо заинтересовался проблемой определения скорости света в движущихся телах. В этой области им были получены фундаментальные результаты, о которых мы еще расскажем.

В конце жизни Физо по-прежнему занимался оптическими проблемами, в частности, исследованиями в области поляризации. Много внимания он также уделял изучению теплового расширения тел.

Впечатление о личности Физо хорошо передает отрывок из статьи непременного секретаря Академии Э. Пикара, посвященной жизни и творчеству Физо:

"Те, немногочисленные ныне, кто знал его в последние годы, могут вспомнить старца с большой шевелюрой и густой бородой, манера обхождения которого была внушительной, хотя и несколько холодной. Только интересы науки заставляли его забывать привычную сдержанность; хотя Физо не любил споров, в дискуссии он становился противником, с которым приходилось считаться. Я вспоминаю заседание комитета нашей Академии, когда Физо, обсуждая достоинства двух кандидатов, говорил о находках одного и открытиях другого; его симпатии были не на стороне автора находок".

В своих строгих суждениях Физо был справедлив. Его собственная научная деятельность - это цепь неустанных поисков и открытий. Он имел все основания гордиться своим вкладом в науку. Умер Физо в 1896 г., не дожив нескольких дней до своего семидесятисемилетия.

Физо и Фуко сделали чрезвычайно важный шаг на пути точного определения скорости света - они доказали принципиальную возможность ее измерений в земных условиях. Однако ни метод зубчатого колеса, ни метод вращающегося зеркала не были доведены самими авторами до совершенства. Сделав первый шаг, они занялись другими проблемами. В то же время важность возможно более точных измерений скорости света была очевидной. Поэтому оба метода были развиты в последующие годы другими учеными.

Метод зубчатого колеса усовершенствовал французский физик-оптик М. А. Корню (1841-1902). Метод Физо страдал тем недостатком, что наблюдатель, плавно меняя скорость вращения колеса, должен был уловить момент затемнения, прекратить изменение скорости вращения и измерить ее. Несовпадение моментов наблюдения затемнения и измерения скорости вращения было серьезным источником ошибок. Для его устранения Корню создал систему автоматической регистрации, которая должна была позволить зафиксировать закон изменения скорости вращения с тем, чтобы впоследствии можно было определить эту скорость в любой момент времени. В разные годы Корню было проведено несколько сотен измерений, но они не дали желаемого результата - при среднем значении с = 298500 км/с разброс полученных результатов составлял около 5%. Было замечено, что значения величины с получаются больше среднего, если их определять при малых скоростях вращения колеса. Это указывало на какую-то систематическую ошибку. Корню предполагал, что инерция зрительного впечатления может приводить к неправильному определению момента времени, когда поле зрения полностью затемняется.

Преодолеть указанную трудность решили английские физики Дж. Юнг и Дж. Форбс. Об их опыте будет подробнее рассказано в главе V.

Метод Фуко успешно усовершенствовал выдающийся американский физик А. Майкельсон, о работах которого также разговор еще впереди.

Между тем, неожиданно для многих, в 1856 г. экспериментаторы столкнулись с величиной, имевшей размерность скорости, численное значение которой находилось в удивительной близости к значению с. Скорость, о которой идет речь, не имела, на первый взгляд, никакого отношения к оптике - она была получена в процессе электромеханических измерений. Что это - случайность или следствие каких-то общих законов природы? На этот вопрос ответила теория электромагнетизма, созданная английским физиком Дж. К. Максвеллом.