Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

Перенесем теперь мысленно обсерваторию, телескоп и рассеянного астронома на быстро плывущий корабль и снова прикажем начаться совершенно отвесному дождю.

Картина изменится. Пока капля проходит путь от верхнего отверстия трубы до зеркала, телескоп «проезжает» некоторое расстояние, и частица падает не параллельно оси телескопа. Ее «сносит» в направлении, противоположном движению. В результате левый край зеркала будет заливаться больше, чем правый (см. рисунок).

Чтобы частицы дождя двигались по-прежнему параллельно оси телескопа, его необходимо наклонить на некоторый угол вправо. Если бы наблюдателю пришла в голову идея — определять направление падения дождевых капель по оси телескопа в тот момент, когда капли падают параллельно стенкам трубы, то он ошибся бы.

Вернемся теперь к звездам. Мы смотрим на звезду в зените небосклона через диафрагму телескопа. Пусть Земля при этом покоится. Тогда «дождь световых корпускул», падающий от звезды, пройдет точно параллельно оси телескопа и попадет в приемное устройство.

А если Земля движется? Тогда за время падения световых корпускул вдоль трубы телескопа переместится и сама труба; лучи же пойдут не параллельно оси, а под каким-то углом к ней. И попадут они не в приемное устройство, а сместятся в сторону.

Чтобы световые корпускулы двигались параллельно оси телескопа, надо просто наклонить трубу вперед. Тогда в результате совместного движения частиц и трубы лучи света пройдут параллельно оси прибора.

Угол наклона определяется просто. Если скорость световых корпускул — c, а скорость телескопа (скорость Земли) — v, то

tgφ = v/c.

Направление на звезду астроном определяет по направлению оси телескопа в момент, когда изображение звезды находится в центре поля видимости (на оптической оси). В корпускулярной же теории Ньютона сравнительно просто показывается, что изображение предмета окажется на оптической оси прибора только в том случае, когда световые корпускулы от этого предмета летят параллельно оптической оси. А мы сейчас только убедились, что ввиду движения Земли корпускулы двигаются параллельно оси телескопа, когда он направлен не на звезду, а несколько отклонен. Вот что такое аберрация света[41]. Из-за аберрации света мы, следовательно, видим звезду не в том направлении, где она находится.

Может быть, стоит заметить, что все мы не раз наблюдали аберрацию отвесно падающего дождя. Если судить только по дождевым следам на стекле двигающегося вагона, создастся впечатление, что дождь падает косо к поверхности Земли.

Очень существенное замечание.

Стоит особо отметить, что если бы Земля двигалась равномерно и прямолинейно по отношению к неподвижным звездам, мы, конечно, никак не могли бы экспериментально установить наличие аберрации света. Всегда во всех опытах телескопы были бы наклонены на один и тот же угол по отношению к истинному направлению на звезду; никакого аберрационного движения звезды по небосклону не наблюдалось бы, и об аберрационном смещении можно было бы заключить только на основе теоретических рассуждений. Аберрационное смещение звезд, как видно из рисунка, наблюдается потому, что в разных точках орбиты скорость Земли имеет различное направление.

…Теория Брадлея великолепно объяснила наблюдаемые смещения звезд. В частности, стало совершенно понятно, почему максимальные угловые смещения всех звезд равны между собой — ведь они всецело определяются отношением орбитальной скорости Земли к скорости света.

Кстати, по величине углового смещения можно было определить скорость света. Брадлей и нашел, что c = 303 тысячам километров в секунду, то есть определил скорость света с точностью до одного процента.

Аберрационное смещение звезд послужило также прекрасным доказательством системы Коперника.

Словом, Брадлей открыл значительно более интересное явление, чем то, которое он искал.

А параллактическое смещение было обнаружено только в середине XIX столетия, так как эффект был слишком тонок для инструментов XVIII века.

Итак, наука торжествовала…

Все это очень мило, но ведь корпускулярная теория оказалась неправильной! Следовательно, объяснение аберрации, которое дал Брадлей, удовлетворить нас не может! Необходимо объяснить аберрацию с позиции волновой теории, ибо без такого объяснения вся теория повисает в воздухе.

Толкование аберрации с волновой точки зрения нашел Роберт Юнг (1804). И тогда обнаружили, что проблема аберрации значительно ядовитее, чем думали вначале.

Неувлекаемый эфир! Внимание!

Юнг предположил, что эфир не увлекается Землей при ее движении; что Земля несется сквозь эфирное море и ее скорость относительно частиц эфира равна орбитальной скорости[42]. Только в этом случае — в случае полностью неувлекаемого эфира — аберрационный эффект, рассчитанный по волновой теории, полностью совпадает по величине со значением, предсказанным корпускулярной теорией света и полученным экспериментально.

Сейчас мы коротко передадим сущность рассуждений Юнга, но пока важно отметить другое.

При попытке построить волновую теорию аберрации физики впервые столкнулись с центральной проблемой теории эфира — проблемой, которая в конечном счете погубила эфир.

Как взаимодействует эфир с движущейся Землей? Как движение Земли относительно эфира сказывается на оптических и электромагнитных явлениях? Можно ли обнаружить экспериментально движение относительно эфира? В итоге все это сводится к одному.

Существует ли абсолютная система отсчета — покоящийся эфир?

Итак, аберрация в волновой теории света получила важнейшее, принципиальное значение. Точное решение задачи аберрации в волновой теории довольно кропотливо, и мы ограничимся грубыми качественными замечаниями.

Впрочем, эти соображения отражают совершенно правильно суть вопроса.

Световые волны, излучаемые звездой, концентрически разбегаются от нее в неподвижном эфире[43].

Аберрация и неувлекаемый эфир. Очень важное место.

Предположим, что Земля в своем движении не увлекает эфир. Тогда волны, прошедшие через диафрагму телескопа, будут как бы «снесены» относительно оси прибора влево.

А если бы Земля увлекала эфир в своем движении, никакой аберрации не было бы!

Существование аберрации показывало бы, что эфир не увлекается Землей. Значит, при движении Земли относительно неподвижных звезд вблизи нее должен возникать «эфирный ветер».

И естественно задать вопрос: можно ли обнаружить «эфирный ветер» при помощи других оптических явлений? Несложные теоретические соображения сразу привели к заключению: «Да, можно».

Например, коэффициент преломления света в случае, если Земля не увлекает эфир, должен быть разным в зависимости от того, движется Земля навстречу источнику света (звезде) или от него.

Проделали опыт — ничего не обнаружили. А точность приборов позволяла увидеть предсказанный теорией эффект.

Опыт Араго — 1818 год!

Такой результат очень смущал. С одной стороны, аберрация как будто подтверждала теорию неувлекаемого эфира. А с другой стороны, опыты с коэффициентом преломления противоречили этой теории.

Далее. С самой аберрацией также не все было хорошо. Угол наклона телескопа определяется отношением пути, который он «проезжает» за время, пока свет проходит от вершины телескопической трубы до основания, к ее длине. Или, что то же, угол наклона определяется отношением v/c.

Точнее φ = v/c[44]. Причем (и это очень существенно) здесь с по своему смыслу не что иное, как скорость распространения света именно внутри трубы телескопа.

И вот кто-то (автор не узнал, кто именно[45]) проделал исключительно эффектный опыт — трубу телескопа залил водой.

Скорость распространения света в воде отлична от скорости в воздухе и составляет примерно 3/4 ее. Следовательно, угол аберрации звезд для таких «водяных» телескопов должен измениться, увеличившись в 4/3 раза.

Проделали опыт, измерили угол и получили, что в «водяном» телескопе он остается прежним.

Это уже ни на что не было похоже!

Однако все неприятности на время притушил Френель, предложив очень произвольную и очень остроумную гипотезу о характере увлечения эфира сплошными средами. Он сказал: допустим, что плотность эфира в сплошных средах больше, чем в пустоте. Тогда эфир в пустоте — «внешний эфир» — движущимся телом не увлекается. А эфир, который находится внутри тела, частично увлекается. Френель мотивировал это тем, что количество эфира, втекающего в движущееся тело, должно равняться количеству вытекающего. А поскольку плотность эфира внутри тела больше, чем снаружи, то количество эфира внутри останется постоянно только тогда, когда скорость движения «внутреннего эфира» относительно тела меньше, чем «внешнего эфира».