Люди и формулы

Альберт МАЙКЕЛЬСОН (1852–1931) — властитель точности

Этот человек рожден был для того, чтобы стать великим экспериментатором. Хладнокровный, расчетливый, упорный, он мог ставить одну серию тончайших опытов за другой и был счастлив, когда находил у себя же ошибку: тогда у него появлялся повод еще раз поставить тот же эксперимент.

С точностью, поражающей и сейчас, он определил скорость света — сделал, казалось бы, невозможное. Этот опыт так и называют: опыт Майкельсона.

Люди пунктуальные любят говорить с гордостью: точность — вежливость королей. Они говорят так, чтобы лишний раз подчеркнуть это свое достоинство, которое многие из нас в наш стремительный век растеряли. Впрочем, и короли, если с доверием относиться к хроникам, не грешили особой точностью, почти всегда на всякие торжественные церемонии они являлись чуть позже условленного часа.

Но пусть будет так, пусть действительно точность — это вежливость королей. И тогда физики — это короли вежливости. Ибо никто, пожалуй, как физик, не выверяет с такой точностью каждый свой шаг в науке. Они делают это не только ради установления истины, но и ради того, чтобы те, кто пойдет следом за ними, могли доверить себя тем результатам, которые получили идущие первыми.

Но и доверяя, они проверяют. Хотя бы потому, что новые приборы и новые методы позволяют добиться еще более высокой точности. А эта новая «уточненная точность» помогает продвинуться дальше, куда еще недавно путь был закрыт.

Вот почему особого уважения и удивления достойны те, кто сумел добиться результатов, не потерявших своего былого значения и своей былой точности спустя многие и многие десятилетия.

Все сказанное больше, чем к кому-либо другому, пожалуй, относится к Альберту Майкельсону, который почти сто лет назад с поразительной точностью измерил скорость света.

«Опыт Майкельсона» — так называется этот классический эксперимент. Это опыт, который человек ставил всю свою жизнь.

Но кто он такой, Альберт Майкельсон…

Родился он в Стрельно — маленьком польском городе. Отец его, как многие его соотечественники в те времена, не найдя счастья на родине, отправился искать его за океан. Альберту тогда было два года.

Отец попытался вначале осесть в Нью-Йорке и занялся там ювелирным делом, но дело пошло не так, как хотелось, да тут еще слухи о поистине золотой земле Калифорнии, куда в погоне за золотом устремились тысячи переселенцев. Сэмюэл Майкельсон вновь собирает вещи, закупает товар для будущей лавочки и отважно пускается в новое путешествие через весь континент.

Тогда путь в Калифорнию был долог и труден: либо на корабле пол года по морю, вокруг мыса Горн, либо в тряском фургоне по пустынным местам, где на путешественников нередко нападали бандиты. Сэм Майкельсон выбрал другой путь. До Панамского перешейка они плыли по морю, через перешеек ехали верхом на мулах и в телегах, а потом вдоль побережья плыли на стареньком паруснике. Это было путешествие, полное настоящих приключений, но маленький Майкельсон запомнил лишь большой, пахнущий старой смолой корабль с туго натянутыми парусами.

На прииске, неподалеку от лагеря Мэрфи, того самого Мэрфи, о котором писали Марк Твен и Брет Гарт, Сэм Майкельсон открыл свою галантерейную лавочку, такую же, какая была у него когда-то на родине, в Польше.

Золотоискатели — суровые люди, но один из них полюбил кареглазого мальчишку с иссиня-черными волосами и научил его играть на скрипке. Альберт учился прилежно и был потом благодарен этому человеку всю жизнь: скрипка помогала скрасить ему одиночество, она приносила радость, она успокаивала.

Отец в Калифорнии не разбогател. Золотые жилы захирели, а вскоре и вовсе иссякли. Прииски опустели, и Майкельсоны, нажившие за эти годы лишь шестерых детей, отправились в Вирджиния-Сити — город, в котором работал никому не известный газетный репортер по имени Сэмюэл Клеменс и которого узнает чуть позже весь мир. Узнает под именем Марка Твена.

В школе Альберт учился хорошо, но преуспевал лишь в математике, а больше, кажется, его ничто особенно не интересовало. Мать надеялась, что сын, когда вырастет, станет врачом, отец же во время разговоров о будущем сына больше молчал: он думал о том, что за учение в университете надо платить, а платить было нечем. Видно, Сэм Майкельсон не слишком удачно избрал свой жизненный путь…

Альберт выбрал Морскую академию. Нет, его не привлекала романтика моря и в будущем он не видел себя блестящим морским офицером, но в этой академии платят стипендию, проезд до Аннаполиса — города, где она находилась, тоже оплачивался, ну а главное все же — академия открывала дорогу в науку. Альберт Майкельсон, а было ему тогда семнадцать лет, уже знал, что ступит на эту дорогу.

Но получилось это не сразу. На штат Невада, где обосновались Майкельсоны, академия предоставила всего одно место и досталось оно не Альберту. Тогда он собирается и едет один в Вашингтон, чтобы просить самого президента Штатов предоставить ему возможность поступить в академию.

Мальчик узнал, что рано утром, в один и тот же час, президент Грант выводит гулять свою любимую собаку и, набравшись смелости, обращается к президенту. Уже в старости Майкельсон с улыбкой вспоминал, как обещал президенту, что тот сможет гордиться им, если он сумеет поступить в академию.

Самое удивительное не то, что президент выслушал мальчика и предоставил ему одно из вакантных мест, которые сам распределял, а то, что этот мальчик сдержал свое обещание. Он стал выдающимся физиком-экспериментатором, он стал первым американцем, который получил премию Нобеля. Он стал гордостью и славой Америки.

В академии Майкельсон учился средне: ряд предметов его не интересовал — такие, как история и словесность, и по ним он был одним из последних. Зато по динамике и математике считался вторым, а по оптике и акустике он, бесспорно, был лучшим. Директор академии, в недавнем прошлом морской офицер, сказал ему как-то: «Если вы будете уделять поменьше времени всем этим естественным наукам, а побольше артиллерийскому делу, то, может быть, когда-нибудь вы и окажетесь полезным вашей родине». По счастью, Альберт Майкельсон не последовал совету наставника.

Четыре года в академии… Что о них можно сказать? Майкельсон всегда вспоминал о них с грустью, как вспоминают обычно что-то дорогое, что безжалостно смыли вечно бегущие волны времени. Он много занимался спортом, играл в теннис, фехтовал и боксировал. Говорят, он был чемпионом академии среди легковесов-боксеров. Однажды ему это пригодилось. Майкельсона назначили командиром какого-то отделения, и один из подчиненных, некий Фиске, сказал, что ему не понравился тон, каким Майкельсон стал командовать. На драку собралось много народа, но боя, по существу, не было: первая перчатка академии так за минуту отделала противника, что тот восемь дней пролежал в лазарете. Фиске стал потом известным адмиралом, но, кажется, не без гордости рассказывал о столь плачевном для него поединке.

В академию поступило восемьдесят шесть человек, окончило всего двадцать девять. Среди них был и Альберт Майкельсон.

А потом он плавал два года на военном корабле, дослужился до младшего лейтенанта и, когда истек срок обязательной службы, получил приглашение в академию, на кафедру физики и химии. Несколько раньше, когда его корабль заходил в Англию, у могилы Диккенса он встретился с девушкой, с которой обменялся всего-то двумя-тремя фразами и сразу расстался и которая тем не менее ему очень понравилась. Нежданно-негаданно он увидел ее в Америке, она оказалась дальней родственницей одного из преподавателей академии, увидел и больше не захотел потерять.

Альберт Майкельсон и Маргарет Хэминуэй поженились, когда ему было двадцать пять лет, а ей — восемнадцать. Это была красивая и счастливая пара.

Тогда он еще ничего не сделал в науке. А всего через полтора года о нем писали газеты, его имя уже гремело. «Нью-Йорк тайме», одна из самых больших газет в Америке, оповещала: «На научном горизонте Америки появилась новая яркая звезда. Младший лейтенант морской службы, выпускник Морской академии в Аннаполисе Альберт Майкельсон, которому нет еще двадцати семи лет, добился выдающегося успеха в области оптики: он измерил скорость света».

Почему именно он? Ведь и до него были исследователи, которых влекла эта задача — поймать неуловимое, измерить вечно ускользающее. Датчанин Рёмер, французы Фуко и Физо — они первыми измерили скорость света, и порядок их измерений был достаточно точен, а в учебниках физики описывается «опыт Майкельсона». Почему?..

Да потому, что, во-первых, нужно было быть именно Майкельсоном — ревнителем точности, чтобы поставить столь тонкий, изысканный эксперимент и получить ошеломляюще точный, точный до скрупулезности результат. И, во-вторых, нужно было обладать таким характером, как у Майкельсона, чтобы в течение многих десятилетий уточнять этот результат от опыта к опыту и довести его до такого совершенства, что и сейчас, спустя почти сто лет, он остается, в общем, незыблемым.

Ему во многом помогло то редчайшее соответствие между характером и задачей, которую он перед собой поставил. А как он нашел эту задачу, задачу всей своей жизни? Быть может, ответ кроется в его же словах: «То, что скорость света является категорией, недоступной человеческому воображению, и что, с другой стороны, ее возможно измерить с необыкновенной точностью, делает ее определение одной из самых увлекательных проблем, с которыми может столкнуться исследователь».

Вот в чем дело. Его манила сама трудность задачи. Есть такие люди, которым тем интереснее жить и работать, чем больше им попадается трудностей. В борьбе с этими трудностями они проверяют себя, свою силу и прочность характера. И жизнь для них тогда становится наполненной особым, волнительным смыслом. Майкельсон был одним из этих людей.

То, что он сделал, помогло связать в единую цепь предсказания Максвелла и достижения физиков, которые работали после него. И так уж сложилось, Альберт Майкельсон открыл дорогу Альберту Эйнштейну.

Незадолго до смерти Максвелл сказал, что вряд ли человеку когда-нибудь удастся «измерить скорость света по времени, которое ему требуется, чтобы пройти расстояние между двумя точками на поверхности Земли». Максвелл очень хотел бы это сделать, потому что, проделав эти же измерения в обратном направлении, удалось бы определить и скорость движения эфира.

Максвелл ошибался, думая, что сделать это невозможно. И Майкельсон блестяще доказал это. Он же, Альберт Майкельсон, развенчал и низложил теорию эфира, которая царила в физике со времен Христиана Гюйгенса. В самом деле, что такое свет? Звук — это понятно: волны, упругие колебания среды, в которой он возникает и распространяется. Но тогда вполне возможно, рассуждал Гюйгенс, и со светом происходит нечто похожее, хотя и значительно более сложное. Звук в пустоте умирает — это он знал, свет не теряет силы. Значит, что-то передает все-таки и в пустоте световые волны? Но что?

Гюйгенс ответил: эфир. Некое вещество, которое всюду. Возможно, к этой мысли его подтолкнул Аристотель, написавший слова, посеявшие смуту в умах физиков на много столетий вперед: «Земля окружена водой, вода — воздухом, воздух — эфиром. Дальше нет ничего». И как это оказалось удобно — верить в этот эфир! Все просто, и все объясняется!

А тут еще Ньютон, укрепивший и усовершенствовавший теорию эфира. И она стала такой же неоспоримой и сама собой разумеющейся, как и утверждение о том, что человек дышит воздухом. Нужно было обладать огромной решимостью, чтобы посягнуть на столь прочную крепость эфирной теории. Нужна была еще смелость и уверенность в собственных силах.

Это сделал тот человек, который еще мальчишкой преградил дорогу президенту своей страны и имел смелость пообещать, что президент будет гордиться км.

Это сделал Альберт Майкельсон. Но самое удивительное здесь то, что он совершил открытие, не помышляя об этом.

…Говорят, Майкельсон по ночам думал над опытом. Над опытом, который бы доказал, что да, эфир существует либо он — плод гениальной фантазии.

Это был замечательный опыт. Если эфир существует, размышлял Майкельсон, то он должен так же влиять на распространение света, как течение реки на пловца. Всякий пловец знает, что гораздо легче переплыть реку поперек и вернуться обратно, нежели проплыть то же расстояние вдоль реки и вернуться. Если эфир существует, подумал экспериментатор, то он должен или ускорять, или замедлять движение света.

Теперь решить все должен был опыт.

Майкельсон готовит его долго, тщательно, изобретает тончайший инструмент, который теперь так и называют «интерферометр Майкельсона», превзошедший в точности все существовавшие ранее такие приборы. Все, что Майкельсон делал, всегда оказывалось самым точным.

И вот эксперимент. Физик напряженно всматривается в показания приборов и не верит себе: ничто не мешает свету распространяться во всех направлениях! Где он, этот эфир? Впрочем, может быть, Земля, летя по орбите вокруг Солнца, увлекает эфир за собой и этим объясняется, почему интерферометр не отметил изменения в скорости света?

А может, эфира нет вовсе? Тогда результат опыта — отрицательный результат — объясняется как нельзя лучше… Но нет. Майкельсон об этом еще не думает. Так все просто, что невозможно поверить…

Но в одном он уверен: «Гипотеза неподвижного эфира ошибочна». Он верил в свой прибор, в свои измерения, в себя, наконец, и потому опубликовал этот вывод в научном журнале.

Как-то он встретился с профессором химии Эдвардом Морли — тоже большим любителем точности. Встретил и подружился с ним. Морли доставляло удовольствие получить лишний знак после запятой. В своих измерениях он стремился к абсолюту точности. Двадцать лет он исследовал содержание кислорода и водорода в чистой воде и определил его с точностью до пятого знака. Наверное, Майкельсон увидел в Морли самого себя. Такому человеку он, пожалуй, мог бы довериться.

А когда они были рядом, никто, наверное, не мог бы предположить, что у этих столь непохожих внешне людей может быть много общего. Майкельсон и в зрелом возрасте не расставался со спортом, отлично играл в теннис, был строен и энергичен. Быстрый, но проницательный взгляд обличал в нем человека решительного, которому чужды минутные колебания и который готов действовать в любое мгновение. Одет Майкельсон всегда был с иголочки и не терпел в костюме малейшей неряшливости.

А Морли… Морли внешне был его антиподом. Одевался он кое-как, и видно было, что мешковатый костюм его отнюдь не смущает. Майкельсон всегда был подстрижен и гладко причесан и лишь под левым виском у него топорщились непокорные волосы, а Морли, кажется, и вовсе не стригся и предпочитал носить шевелюру до плеч. Огромные, торчащие, цвета чищеной меди усы дополняли портрет ближайшего друга и верного соратника Майкельсона. Эти двое и поставили последнюю точку над «и» в спорах вокруг эфира. Именно потому, что они были столь разные и столь похожие.

Вдвоем они сконструировали новый чуткий прибор. Сделан он был необычайно тщательно, чтобы исключить все возможные помехи во время эксперимента. Потом серия опытов. И снова — прежний, майкельсоновский результат: эфир по-прежнему неуловим. Майкельсон настолько был уверен, что на этот раз он все-таки изловит эфир, что новый сверхточный интерферометр обязательно обнаружит изменения в скорости света — и вот опять то же самое… Он чувствует себя просто растерянным.

И снова он публикует свой отрицательный результат, впервые доказывая, что скорость света не зависит от движения Земли, что это величина постоянная. Что свет, как быстро ни мчаться за ним, догнать невозможно: он все время будет убегать со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Именно с такой скоростью, какую предсказал Джемс Клерк Максвелл.

Майкельсон не нашел то, за чем охотился все эти долгие годы, и результат его тончайших экспериментов был, как говорят физики, отрицательным, но, по выражению Джона Бернала, выдающегося физика двадцатого века, это был «величайший из всех отрицательных результатов в истории науки». Теперь на фундаменте, который заложил Альберт Майкельсон, Эйнштейн мог начинать строительство своей теории относительности.

А он сам, этот человек, для которого весь мир заключен в любимой науке, еще не понимает, что сделал. Рассказывая об этом эксперименте, он заявил как-то: «На мой взгляд, эксперимент не прошел впустую, поскольку поиски разрешения этой проблемы привели к изобретению интерферометра». Вот так. Интерферометр, и больше ничего.

А Эйнштейн? Он всегда говорил о том, что опыт Майкельсона оказал огромное влияние на его работу и что он многим обязан этому странноватому американцу, для которого главное в жизни — эксперимент и который так никогда и не понял его теорию относительности.

Он вообще никогда не мыслил глобальными категориями. Его стихия — эксперимент, здесь он — король точности, гений ошеломляюще простого решения. А если нужно было отступить один шаг, чтобы окинуть взглядом здание новой идеи или теории — это ему если и удавалось, то далеко не всегда. Однажды он спросил одного известного астронома, в чем суть новой теории звезд Эддингтона. Тот ответил: в том, что звездное вещество может быть сжатым до плотности, большей плотности воды в тридцать тысяч раз. Майкельсон переспросил: «То есть превосходящей плотность свинца?» Выслушал подтверждение и убежденно добавил: «Тогда в этой теории что-то не так».

Может показаться, что измерение скорости света было для Майкельсона нечто вроде навязчивой идеи. Но это не совсем так. После изобретения интерферометра он проделал совершенно иную работу. Только за одну эту работу он достоин того, чтобы его поставили в ряд великих экспериментаторов.

Ясно, чем ему не понравился метр — единица длины и ее эталон: весьма приблизительной точностью. Что такое метр? Одна сорокамиллионная доля парижского меридиана. А весь-то меридиан никто не мог измерить с достаточной точностью. Во всяком случае, с такой точностью, которая могла бы удовлетворить Майкельсона. Тем не менее эталон метра — стержень из сплава платины и иридия изготовили и упрятали в глубокий подвал, где старательно следили за постоянной температурой и неизменным давлением. Столько забот ради сомнительной точности…

Майкельсон подумал о том, что есть в природе иной эталон — вечный и неизменный. Надо только как следует его поискать и скрупулезно измерить. Но путь ясен: ничто в нашем мире не обладает таким постоянством, как длина волны света. Монохроматического света, имеющего определенную длину волны. И он нашел такой эталон и измерил так, как, кроме него, наверное, никто не мог бы измерить. Новый эталон — это 1553163,5 длины волны красного кадмия. Такая длина волны в точности соответствует тому драгоценному стержню, над которым трясутся хранители Палаты мер и весов. Этот эталон вечен и точен, как… Не с чем сравнить эту точность.

И мир принял эталон Майкельсона.

Нет, он не был исследователем ограниченным, с шорами на глазах, не дающими увидеть ничего, что находится по обе стороны дороги, им избранной. Однажды он написал исследование под названием, которое как-то совсем не вязалось с тем, что привыкли ждать от него: «О металлической окраске птиц и насекомых». Работу сопровождали великолепные иллюстрации автора.

И этот труд нельзя считать случайным. Майкельсон решил проверить — не обязаны ли бабочки, жуки и колибри своей пестротой особому отражению света. И убедился: да, это так, происходит явление, очень похожее на то, когда свет, отражаясь от тонких металлических поверхностей, рождает яркое буйство красок.

В сущности, это была его очередная работа по оптике. А что касается рисунков насекомых и птиц, то тех, кто его знал, и это не могло удивить: он всегда отлично рисовал акварелью, и, если приходило вдруг вдохновение, часами пропадал в ущелье или на море. Пейзажи его нравились многим и как-то раз выставлялись на выставке. Его и самого уговорили прийти на открытие, и он послонялся немного, чувствуя себя не у дел, а вскоре ушел, жалея о потерянном времени.

Этот человек дорого заплатил за свою страсть к науке. Семейная жизнь, хоть и тянулась вот уже двадцать лет, все не ладилась — жена не могла понять, как это он не может найти времени ни для нее, ни для детей. А он и дома был мыслями в лаборатории.

Они расстались, прожив вместе двадцать лет, а еще лет через тридцать, уже будучи второй раз женат, он вдруг сообразил, как было трудно его жене Маргарет Хэминуэй с ним, и стал просить о прощении.

Но, кажется, и с Эдной Стентон он не был счастлив.

В семьдесят лет Майкельсон возвращается к тому, с чего начал. Ему кажется, что его самые первые измерения, поражавшие всех своей точностью, на самом деле недостаточно точны.

Он едет в Калифорнию, куда жизненный ветер занес когда-то энергичного галантерейщика из Польши — его отца — и где он сам еще малышом стал впервые познавать мир. Он решил уточнить здесь ответ на одну из самых увлекательных загадок природы.

В Калифорнии, на горе Сан-Антонио, на высоте около шести километров, он ставит одну установку и другую — на горе Маунт-Вильсон, на расстоянии тридцати пяти километров. Многие ночи подряд узкий луч света прорезывал непроглядную темень, отражаясь от зеркала на горе Сан-Антонио, и попадал на вращающуюся призму на горе Маунт-Вильсон. Три года почти каждую ночь — опыт за опытом…

Он получил средний результат скорости света — 299 798 километров в секунду.

Ну вот, кажется, и можно поставить точку в конце жизненного пути, где пусть было не все так гладко, зато целеустремленно и где, в общем-то, он жил так, как хотел. Кажется, можно позволить себе удалиться от дел, отдавая все свое время прогулкам с мольбертом — или по берегу моря, от которого пахнет вечностью, или в горах, где человек невольно размышляет о смысле собственной жизни.

Но нет: Майкельсон задумывает свой новый опыт. Он хочет сделать расстояние между зеркалами как можно больше. Опять ему не нравится точность.

Во время последнего опыта ему часто мешали туман и дым: в Калифорнии горели леса, и физик хочет избавиться от всех этих помех и пропустить световой луч через вакуум. Тогда уже никто не скажет, что атмосфера влияет на опыт.

Для эксперимента сделали гигантскую трубу — диаметром около метра и длиной в полтора километра. Из нее выкачали воздух — одна только эта работа отняла несколько суток. Никогда прежде скорость света не измерялась в почти полном вакууме. Полтора года, сотни вычислений…

А Майкельсона на площадке, где ставили опыт, не было. Он только что перенес кровоизлияние в мозг и руководил экспериментом лежа в постели. Потом он как будто поправился, во всяком случае, ему показалось, что он чувствует себя значительно лучше, начал вставать и даже приехал на конференцию, на которой присутствовал доктор Эйнштейн.

На банкете в его честь Эйнштейн обратился к старому, скромно сидящему среди других Майкельсону: «Вы, уважаемый доктор Майкельсон, начали свои исследования, когда я был еще мальчишкой. Вы открыли физикам новые пути и своими замечательными экспериментами проложили дорогу для теории относительности… Без вашей работы эта теория была бы и поныне лишь интересным предположением, она получила первое реальное подтверждение в ваших опытах».

Те, кто видел Майкельсона в эту минуту, вспоминают, что он был очень взволнован…