Альберт Майкельсон был человеком упрямым. В 1887 году он уже знал, что его прибор почти работает. Оставалось поймать последнее — ветер эфира. Тот самый, сквозь который Земля несется по орбите со скоростью тридцать километров в секунду.
Майкельсон хотел войти в историю как физик, первым измеривший движение Земли относительно мировой субстанции. Вошел. Но не совсем так, как планировал.
Зачем вообще ловить эфир
Представьте, что вы едете в машине и высовываете руку. Встречный ветер давит на ладонь. Чем быстрее едете — тем сильнее давит. Логично? Логично.
Физики XIX века рассуждали точно так же, только про свет. Раз свет ведет себя как волна, значит, должна быть среда, в которой он колеблется. Воздух для звука, вода для ряби на пруду, эфир для света. Идею подкинул еще Гюйгенс в 1678 году. К середине XIX века ее отшлифовали Френель, Стокс и Максвелл. Получилась красивая теория, которой физика пользовалась почти семьдесят лет.
Земля летит сквозь эфир. Свет движется в эфире. А значит, если измерить скорость света вдоль движения Земли и поперек, должна быть разница. Тот самый «эфирный ветер».
Осталась мелочь. Измерить.
Прибор, который видел невидимое
Майкельсон собрал интерферометр. Штука настолько чувствительная, что на нее нельзя было даже громко дышать.
Идея простая. Луч света расщепляется на два. Один летит туда-сюда вдоль движения Земли. Другой идет поперек. Потом лучи снова соединяются и дают интерференционную картину. Полоски. Если один луч шел чуть дольше, полоски сдвинутся.
Майкельсон с коллегой, химиком Эдвардом Морли, поставили прибор на массивную каменную плиту. Плиту положили на ртутную ванну, чтобы вращать установку без вибраций. Работали ночами, в подвале, почти шепотом.
Ожидаемый сдвиг полос: примерно сорок сотых. Для их прибора это колоссальная, видимая невооруженным глазом величина.
Получили: меньше одной сотой.
Проще говоря, ничего.
Реакция: «Наверное, мы что-то сломали»
Сначала Майкельсон решил, что прибор барахлит. Пересобрал. Перемерил. Повторил летом, когда Земля летит в одну сторону по орбите, и зимой — когда в противоположную. Цифры упрямо стояли у нуля.
Физическое сообщество отреагировало примерно так: «Коллеги, вы точно все правильно посчитали? Может, плита кривая? Может, ртуть булькала?».
Эфир не мог исчезнуть. На нем держалось все: оптика, электродинамика, уравнения Максвелла. Без этой таинственной среды физика оставалась без пола под ногами.
И физики начали подпирать пол подпорками.
Как героически спасали теорию
Голландец Хендрик Лоренц и ирландец Джордж Фицджеральд предложили красивый костыль. Тела, движущиеся сквозь эфир, сжимаются вдоль движения. Ровно настолько, чтобы ветер эфира стал незаметным.
Звучит как отговорка школьника. «Почему не слышно ветра? Потому что у ветра такая хитрая скорость, что его не слышно».
Но формулы сходились. Лоренц даже вывел преобразования, которые сегодня носят его имя. Спасение теории шло полным ходом.
Майкельсон, кстати, до конца жизни верил в эфир. В 1907 году он получил Нобелевскую премию, первым из американцев. За что? За точность измерений. Про сам результат в наградной формулировке деликатно промолчали.
Премия за то, что ничего не нашел. Красиво.
Молодой клерк из Берна
Пока физики латали эфир, в швейцарском патентном бюро сидел двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн. Днем он читал заявки на изобретения. Вечерами думал о свете.
И подумал: а что, если никакого эфира нет?
В 1905 году он опубликовал статью, где предположил простую вещь. Скорость света одинакова для всех наблюдателей. Неважно, с какой скоростью вы летите. Неважно, куда направлены. Свет всегда идет со своей священной скоростью.
Из этого следовало, что время замедляется, длины сокращаются, а масса растет с ростом скорости. Все то, что Лоренц и Фицджеральд описали как костыли для эфира, стало просто свойствами пространства и времени.
Эфир оказался не нужен. Его аккуратно положили на полку рядом с флогистоном и теплородом.
Что осталось от «скучного» эксперимента
Майкельсон хотел измерить скорость Земли относительно эфира. Пойманная цифра, ноль, сломала картину мира, которую физика строила со времен Гюйгенса. Без этого «провала» не было бы теории относительности. Без теории относительности — ни GPS в телефоне, ни ядерной энергетики, ни рабочей модели черных дыр.
А сам Майкельсон до самой смерти в 1931 году тихо надеялся, что эфир просто очень хорошо прячется.
Так бывает. Ученый выходит из лаборатории с маленькой гипотезой. Возвращается с чужой Нобелевкой, новой физикой под мышкой и разрушенной старой картиной мира в кармане. Нес одно. Принес другое.
Задумайтесь: вся современная физика выросла из эксперимента, в котором ничего не произошло. Наука — место, где отрицательный результат иногда стоит больше любого положительного. Главное — аккуратно вытирать пыль с ртутной ванны и не верить в то, что чего-то не может не быть.