Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Тринадцать лет спустя его конкурент Леон Фуко усовершенствовал эксперимент, заменив зубчатку вращающимся зеркалом, установленным под определенным углом. Поскольку зеркало вращается, то падающий и отраженный свет несколько смещаются на его поверхности. Измерив это небольшое смещение, удалось рассчитать, что свет движется со скоростью 297,7 км/с.

_{Эксперимент Фуко. Свет из источника (S) отражается вращающимся зеркалом (R), затем проходит через линзу (L) и попадает на второе зеркало (М). К моменту возвращения пучка света первое зеркало поворачивается, вызывая небольшое отклонение пучка}

Похоже, что Майкельсон все это изучил в Военно-морской академии Аннаполиса, где он оказался в 1869 году, проделав весьма сложный путь. Он был старшим сыном польских иммигрантов, которые сначала осели в Калифорнии, где его отец открыл мануфактурную лавку в лагере золотоискателей. Затем «серебряная лихорадка» увлекла их в Неваду. Там, закончив среднюю школу, Альберт решил поступать в Военно-морскую академию. Не получив помощи в поступлении от конгрессмена своего штата, он отправился поездом в Вашингтон и уговорил президента США Улисса Гранта вмешаться* В 1874 году Майкельсон уже плыл курсантом на борту американского военного корабля «Ворчестер», а вскоре преподавал физику и химию в Аннаполисе. Именно там он встретил Маргарет Хеминуэй, племянницу офицера, который был начальником кафедры физики, и дочь магната с Уолл-стрит. Они поженились в 1877 году, а год спустя, получив от тестя две тысячи долларов, Майкельсон стал готовиться к своему первому большому эксперименту.

В опыте Фуко по измерению скорости света отклонение пучка на вращающемся зеркале составило менее одного миллиметра, т. е. расстояние, которое было очень трудно измерить. Майкельсон знал, что если путь светового пучка многократно удлинить (у Фуко свет пробегал всего двадцать метров), то время его распространения тоже возрастет. Отраженный пучок достигнет зеркала позднее, отклонение станет больше, и скорость света можно будет измерить с большей точностью.

Он начал с того, что установил два зеркала — одно вращающееся и одно стационарное, разнеся их на 600 метров по северной набережной кампуса. Чтобы точно измерить расстояние между зеркалами, он использовал рулетку, градуированную по эталону ярда. Протянув ленту рулетки вдоль пирса и выровняв ее свинцовыми гирями, а также обеспечив ее равномерное натяжение, он сделал несколько замеров. Введя поправки на тепловое расширение и сжатие, Майкельсон определил, что расстояние между зеркалами равно 605,4 метра.

Такая точность нужна была везде. Для определения положения стационарного зеркала, которое должно было отражать световой луч на длинной его траектории, он взял телескоп и геодезический прибор, известный как теодолит. Для определения скорости вращающегося зеркала он использовал электрический камертон, который тщательно настроил по эталону. Небольшое стальное зеркало крепилось к одному из элементов вилки камертона. Оно должно было отражать вращающееся устройство. Когда частота вибрации совпадала со скоростью вращения, стробоскопическое изображение замирало.

Используя паровую воздуходувку для вращения зеркала со скоростью 256 оборотов в секунду и направив через линзу солнечный свет, он определил, что, пройдя весь путь, солнечный луч отклонился на 133 миллиметра, т. е. «почти в 200 раз больше, чем удалось измерить Фуко». После определенных вычислений удалось обнаружить, что скорость света равна 299 940 км/с, т. е. несколько выше, чем принятая сегодня скорость света в 299 792,8 км/с. (Ученые настолько уверены в правильности своих расчетов, что ныне измеряют длину метра, используя скорость света, а не наоборот.)

«Похоже, что научное сообщество Америки скоро украсит своим присутствием новый выдающийся ученый», — писала газета «Нью-Йорк тайме», предсказывая, что скорость света будет измерена «с такой же точностью, с какой измеряется скорость обыкновенного артиллерийского снаряда».

Пока Майкельсон заявлял о себе с помощью собственного светового спидометра, ученые посчитали, что окончательно решили вопрос о том, является ли свет потоком частиц или волн. Ньютону свет представлялся в виде «глобулярных тел», с помощью которых он хотел объяснить даже рефракцию. Входя в призму, а затем вновь распространяясь в воздухе, частицы разного цвета будут по-разному вращаться, как «теннисный мяч после закрученной подачи ракеткой».

Труднее было разобраться с явлением, получившим название колец Ньютона, — пятна, состоящего из светлых и темных колец, которые возникают при прижимании друг к другу слегка изогнутой выпуклой линзы и плоскопараллельной пластины. Пытаясь хоть как-то объяснить это явление, Ньютон считал, что цвета определяются частицами света, претерпевающими «легкое отражение и трансмиссию».