История опыта Майкельсона – Морли изобилует интересными и поучительными эпизодами. Первый вариант интерферометра был построен немецкими мастерами в Берлине на средства, предоставленные изобретателем телефона американцем А. Беллом. Неудача европейского цикла исследований Майкельсона была связана с тем, что прибор оказался чрезвычайно чувствительным к вибрациям, которые не удавалось устранить даже при помещении его в глубокий подвал знаменитой Потсдамской обсерватории. Кроме того, в первом варианте интерферометра, где использовалась одна пара зеркал, оптическая длина пути световых лучей была слишком малой, вследствие чего ожидаемый эффект оказывался на грани точности измерений. К тому же в первой публикации, посвященной поиску «эфирного ветра», Майкельсон сделал одну довольно элементарную теоретическую ошибку .

При проведении опытов в США все эти обстоятельства были учтены, что резко повысило точность и достоверность результатов. Именно поэтому выводы Майкельсона и Морли остались незыблемыми и после множества повторений опыта, проведенных с конца XIX в. до наших дней.

III. Об относительном движении Земли и светоносного эфира

За открытием аберрации света вскоре последовало ее объяснение на основе эмиссионной теории. Эффект приписывался простому сложению скорости света со скоростью Земли на орбите. Трудностей этого кажущегося удовлетворительным объяснения не замечали до тех пор, пока не было предложено объяснения на основе волновой теории света. Это новое объяснение было поначалу столь же простым, как и предыдущее. Но оно оказалось бессильным перед экспериментально доказанным фактом, что аберрация не меняется, когда проводятся наблюдения с помощью телескопа, заполненного водой. Действительно, если тангенс угла аберрации равен отношению скорости Земли к скорости света, то, поскольку последняя скорость в воде составляет три четвертых скорости света в вакууме, аберрация, наблюдаемая с помощью телескопа, заполненного водой, должна составлять четыре третьих ее истинного значения. (Можно отметить, что большинство авторов считают удовлетворительным объяснение на основе эмиссионной теории света, хотя в действительности здесь трудностей даже больше, чем в случае волновой теории. Согласно эмиссионной теории, скорость света в телескопе с водой должна быть больше, а угол аберрации должен быть меньше; поэтому, чтобы свести его к истинному значению, мы должны принять абсурдную гипотезу, что движение воды в телескопе переносит лучи света в обратном направлении!)

Согласно Френелю, в волновой теории эфир, во-первых, предполагается находящимся в покое, за исключением внутренности прозрачных сред, в которых, во-вторых, он считается движущимся со скоростью, меньшей скорости среды в отношении (n2 – 1) / n2, где n – коэффициент преломления. Эти две гипотезы дают полное и удовлетворительное объяснение аберрации. Вторая гипотеза, несмотря на ее кажущееся неправдоподобие, должна считаться полностью доказанной, во-первых, замечательным опытом Физо и, во-вторых, нашим собственным исследованием. Экспериментальная проверка первой гипотезы составляет цель настоящей работы.

Если бы Земля была прозрачным телом, то, учитывая только что упомянутые эксперименты, вероятно, можно было бы допустить, что межмолекулярный эфир находится в пространстве в покое, несмотря на движение Земли по орбите; но мы не имеем права распространять выводы из этих экспериментов на непрозрачные тела. Однако вряд ли можно сомневаться, что эфир может проходить и действительно проходит через металлы. Лоренц приводит в качестве иллюстрации трубку ртутного манометра. Когда трубка наклонена, эфир, находящийся в пространстве над ртутью, безусловно, выталкивается оттуда, поскольку он несжимаем. (Можно возразить, что он может выходить через пространство между ртутью и стенками; но это можно предотвратить путем амальгамирования стенок.) Но опять-таки мы не имеем права предположить, что он выходит совершенно свободно, и если бы существовало какое-то сопротивление, хотя и слабое, мы не могли бы, конечно, полагать, что непрозрачное тело, такое, как Земля в целом, обеспечивает свободное прохождение эфира через всю эту массу. Но, как удачно отмечает Лоренц, «как бы то ни было, по моему мнению, в этом вопросе, также важном, лучше не позволять себе руководствоваться соображениями, основанными на правдоподобности или простоте той или иной гипотезы, а обращаться к опыту, чтобы научиться узнавать состояние покоя или движения, в котором находится эфир на поверхности Земли.

В апреле 1881 г. был предложен и испытан метод для решения этого вопроса.

При выводе формулы для измеряемой величины тогда было упущено из виду влияние движения Земли через эфир на путь луча, перпендикулярного этому движению. (Здесь можно отметить, что ошибка была указана автору последней работы А. Потье (Париж) зимой 1881 г.) Обсуждение этого упущения и всего эксперимента составляет предмет очень глубокого анализа Г.А. Лоренца, который выяснил, что данным эффектом ни в коем случае нельзя пренебрегать. Как следствие, в действительности величина, которая должна быть измерена, составляет только половину предполагавшейся величины, и, поскольку последняя уже была едва за пределами ошибок эксперимента, выводы, сделанные из результатов опыта, могли вполне основательно подвергаться сомнению. Однако, поскольку основная часть теории сомнению не подлежит, было решено повторить эксперимент с такими изменениями, которые давали бы уверенность в том, что теоретический результат достаточно велик, чтобы не быть скрытым экспериментальными погрешностями. Теория метода может быть кратко изложена следующим образом.

Рис. 1. Схема интерферометра Майкельсона

Пусть sa (рис. 1а) – луч света, который частично отражается по аb, а частично проходит по ас и возвращается зеркалами b и c по ba и ca. Луч ba частично пропускается по ad, и са частично отражается по ad. Тогда, если пути аb и ас равны, два луча интерферируют вдоль ad. Предположим теперь, что эфир находится в покое, а весь прибор движется в направлении sc со скоростью движения Земли по орбите. Направления и расстояния, проходимые лучами, изменяются так. Луч sa отражается по аb (рис. 1б), причем угол bab1 равен углу аберрации α, возвращается по ba1 (aba1 = 2α) θ попадает в фокус зрительной трубы, направление которой не меняется. Пропущенный луч идет по ас, возвращается по са и отражается в а1, образуя угол са1е. равный 90° – α, и поэтому все-таки совпадает с первым лучом. Можно отметить, что теперь лучи ba1 и са1 не встречаются в точности в одной и той же точке а1, хотя разность составляет величину второго порядка малости; это не влияет на справедливость рассуждений. Пусть теперь требуется найти разность двух путей света аbа1 и аса1.

Пусть V – скорость света; v – скорость движения Земли по орбите; D – расстояние аb или ас; Т – время, которое требуется свету для прохождения от а до с, Т1 – время, необходимое свету для возвращения от c к а1 (рис. 1а).