Исследователи, размышлявшие над идеей опыта Физо, учитывали возможность двух различных ответов на задачу. Первый вариант: скорость света относительно стенок трубы равна скорости света относительно воды плюс скорость самой воды. Это было бы равносильно тому, что световой эфир «увлекается» водой, и дело обстояло бы приблизительно так, как в разобранном ранее примере со звуком в закрытой кабине самолета: воздух и звук переносятся вместе с самолетом, и скорости (звука относительно самолета и самолета относительно земли) просто складываются. Но даже если бы опыт Физо завершился именно так, оставалась бы неясной небольшая, но существенная деталь: в то время как звуковой колокол предполагается движущимся вместе с самолетом, источник света в опыте Физо находится вне столба воды! И это значит, что, складывая скорости, мы сейчас же пришли бы в противоречие с законом независимости скорости света от состояния движения светильника. В самом деле: складывать скорости (света в воде и самой воды) можно лишь при молчаливом допущении, что быстрота света (относительно воды) одна и та же в движущейся воде, как и в покоящейся. А это означало бы, что по отношению к светильнику свет в потоке воды (уходящем прочь от светильника) движется быстрее, чем в неподвижной воде…
Что ж, раз так, можно было переключиться на второй возможный прогноз исхода опыта.
Второй вариант состоял в том, что обе скорости (в покоящейся и в движущейся воде) равны между собой. Это сразу привело бы к картине неподвижного эфира, и закон независимости скорости света от движения источника оказался бы выполненным автоматически. Хуже обстояло бы дело зато с принципом относительности. Ведь если движение воды никак не сказывается на быстроте распространяющегося в ней света[8], значит от суммы скоростей (света относительно «воды и воды относительно трубы) какая-то доля отнимается. Отнимается, в частности, ровно столько, сколько составляет скорость воды. Скорость света по отношению к воде, стало быть, оказывается уменьшившейся. Но это-то и противоречит принципу относительности, который требует, чтобы ход физических процессов не зависел от перемещения «площадки» (в данном случае — столба воды).
Оба исхода не могли бы, как видим, распутать клубка неувязок, но беда в том, что ничего более удовлетворительного, казалось, нельзя было предложить.
С затаенным дыханием ожидали физики ответа на заданный природе вопрос. Первый прогноз или второй? Ответ не заставил себя долго ждать: ни то и ни другое! Скорость света в движущейся воде фактически оказалась увеличенной (по сравнению со скоростью в покоящейся воде). Но прибавка была на 57 процентов меньше, чем это следовало бы из правила сложения скоростей в условиях «увлекаемого» эфира.
Были сделаны попытки объяснить этот странный результат на основе «второго варианта», то есть представления о неподвижном эфире[9]. Принцип относительности приходилось тут опять принести в жертву, но при желании можно было сослаться на то, что этот принцип все равно нарушен открытием аберрации звездного света…
Эксперимент Физо в итоге всех итогов не облегчил жизни физиков. Подвижен в конце концов или неподвижен эфир? И верно ли, что нельзя заметить «абсолютное движение» Земли даже с помощью опытов с лучами света?!
В восьмидесятых годах американский физик Альберт Майкельсон указал еще на одну возможность экспериментального подхода к этому вопросу.
Если, рассуждал Майкельсон, земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный мировой эфир, тот да луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет неизбежно подхвачен и отнесен назад «эфирным ветром», дующим навстречу движению Земли. «Ветер», о котором идет речь, должен возникать исключительно благодаря перемещению Земли относительно эфира. Так, высунув руку из окна вагона на ходу поезда, пассажир всегда ощущает ветер, хотя бы воздух вокруг поезда сам по себе был совершенно спокоен! Дым из трубы паровоза по этой же причине стелется назад, параллельно движению поезда…
Представим себе теперь луч света, пущенный от источника С вдоль направления перемещения Земли. (Смотри рисунок, изображающий схему опыта Майкельсона в горизонтальном плане.) Луч проходит сначала путь СА до полупрозрачной, полузеркальной пластинки А, поставленной под углом 45°. Тут луч раздваивается. Часть света идет дальше к зеркалу Б и, отразившись от него, возвращается к А, после чего, испытав вторичное отражение, на этот раз «под прямым углом попадает в наблюдательную трубку Т. Маршрут второй части светового пучка иной: после двукратного отражения, сперва в А, потом в В, пронизав пластинку А, луч финиширует в той же трубке Т.
Сойдясь вместе на отрезке пути AT, обе части расщепившегося светового пучка должны наложиться друг на друга. Подобное наложение (интерференция) световых волн, как известно из оптики, дает чередование светлых и темных «полос. Размещение их в поле зрения трубки зависит от величины сдвига одной вереницы волн по сравнению с другой. Что можно было ожидать в данном случае?
Все три отрезка пути, то есть АВ, АБ и AT, были взяты равными друг другу, и, следовательно, оба луча должны прийти к финишу в одно и то же время. Но это только в том случае, если ничто не повлияет на ход световых волн вдоль пути следования!
При наличии же неподвижного эфира результат окажется иным. На участке пути АБ будет дуть «эфирный ветер», и свету понадобится больше времени, чтобы пробежать взад и вперед этот участок (по сравнению с отрезком АВ). Это создаст запоздание в приходе к финишу одного луча по сравнению с другим. Величина запоздания будет зависеть от соотношения между скоростью Земли и скоростью света.
Несмотря на громадную разницу в скоростях — 30 и 300 тысяч километров в секунду — и соответственно ничтожную разницу во времени, эффект запоздания должен был осязаемо сказаться на интерференционной картине и мог быть точно измерен на опыте.
Практически измерение, производилось так: вся установка, состоящая из зеркал, полупрозрачной пластинки, светильника и интерферометра, была смонтирована на каменной плите и могла поворачиваться горизонтально как одно целое. Сначала определялось положение интерференционных полос в исходной позиции. Затем производился поворот на 90 градусов, и тогда отрезки АБ и АВ менялись местами по отношению к направлению ожидаемого «ветра». Зрительная труба также оказывалась теперь нацеленной не поперек, а вдоль направления «ветра». Тот луч, который раньше запаздывал, теперь становился опережающим — интерференционные полосы, стало быть, должны были смещаться по сравнению с исходным положением. По величине этого сдвига и можно было судить о наличии «эфирного ветра».
