Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Опыты Физо по измерению скорости света в текущей жидкости

Араго и Эйри в своих экспериментах изучали распространение света в среде, которая должна была двигаться относительно «неподвижного эфира». Поэтому вполне можно было предположить, что на увлечение эфира в этих опытах могло оказывать влияние и движение Земли, атмосферы, также как и другие неучтенные факторы. И по сей день можно встретить точку зрения, согласно которой ученые несправедливо сочли гипотезу об эфире ошибочной — а ошибка на самом деле заключалась в неправильной интерпретации экспериментов Эйри и Араго. Подобная точка зрения, однако, в начале XXI века не выдерживает критики. Для ученых же XIX века вполне обоснованным было сомнение в правильности интерпретации экспериментов по аберрации: о строении атмосферы Земли было известно далеко не все, также как и о структуре околоземного пространства, и утверждение, что свет распространяется в них так, а не иначе, необходимо было принять на веру.

В свете такого положения дел эксперимент Ипполита Физо (1819–1896), проведенный в лаборатории на земле, существенно подкрепляет результаты предыдущих экспериментов. Здесь не работает популярный контраргумент, согласно которому на земле не должно быть эфирного ветра, поскольку эфир во всем околоземном пространстве увлекается движением планеты.

Идея эксперимента состоит в измерении разности скоростей света по и против течения воды интерференционным методом. Данный метод в второй половине XIX  века совершил революцию в экспериментальной физике: он позволил измерять разность хода электромагнитных волн с точностью до длины волны, т.е. порядка микрометра (для видимого света). Многие экспериментальные схемы, использующие интерференцию, позволяют получить еще большую разрешающую способность — лишь бы оптические элементы были достаточно хорошо полированными, а свет — достаточно когерентным.

Сущность интерференции заключается в том, что наблюдаемые характеристики электромагнитной волны пропорциональны квадрату ее амплитуды, при этом у двух волн, пришедших в данную точку из двух разных источников, складываются сами амплитуды. В частности, интенсивность, плотность и поток энергии волны, а также скорость поглощения волновой энергии чувствительным элементом пропорциональны квадрату амплитуды. Впоследствии данный принцип лег в основу квантовой механики, где сама амплитуда считается физически неизмеримой.

В оптике интерференция приводит к тому, что две волны, являющиеся полностью или частично когерентными друг другу (т.е. согласованно меняющимися по фазе во времени и пространстве), складываясь создают систему областей с различной плотностью световой энергии. Последние наблюдаются как интерференционная картина из чередующихся темных и светлых пятен или полос. Светлые участки — интерференционные максимумы — соответствуют волнам, складывающимся в фазе, а темные участки — минимумы — в противофазе.

В вакууме на расстоянии  укладывается

длин волн, где  — круговая частота света. В среде, в которой свет движется со скоростью , на той же длине уложится уже  длин волн. Таким образом, наличие «гребня» или «впадины» волны на данном расстоянии от источника зависит от скорости распространения света на участках между источником и данной точкой. Именно это свойство и использовалось в эксперименте Физо. Вид экспериментальной установки и ее принципиальная схема из работы Физо изображены на рисунках ниже.

Источник света  внутри трубы  создавал конический пучок света, который, отразившись от полупрозрачной пластины  и пройдя через коллиматор (собирающую линзу), преобразовывался в параллельный пучок. Непрозрачная пластина  с двумя щелями  и  вырезала из этого пучка два тонких луча, которые затем пропускались через стеклянные трубы  и  с водой, текущей с одинаковой скоростью порядка  в противоположные стороны. Циркуляцию воды обеспечивал насос  (см. верхний рисунок). После прохождения через воду лучи собирались в фокус собирающей линзы , лежащий на зеркале , и после отражения от последнего второй луч шел по пути первого, а первый — по пути второго (но уже в обратном направлении). При этом из схемы видно, что первый луч на обоих водных участках двигался по течению воды, а второй — против течения. Из-за этого лучи, снова пройдя через трубы  с водой, линзу  и полупрозрачную пластину , приходили  в точку наблюдения  с разным набегом фаз.  Для наблюдателя, смотрящего в трубу  справа, точка  являлась действительным источником, интенсивность которого можно было наблюдать через окуляр, наведенный своим фокусом на точку . Эта интенсивность определялась разностью фаз двух лучей, которая, в свою очередь, зависела от скорости света в текущей воде.

Разность количества длин волн первого и второго лучей, уложившихся на пути от  к  согласно формуле выше имеет вид:

где  — длина труб с водой, а  — скорости распространения света по и против течения воды. Согласно теории частичного увлечения эфира Френеля эти скорости равны

где  — показатель преломления воды, а  — скорость течения воды. Тогда имеем

и интерференционные максимумы в точке  при увеличении скорости воды будут наблюдаться с интервалом

что соответствует .

В эксперименте Физо 1851 года использовались трубы диаметра  и длины , что дает

Получить такие скорости в эксперименте без образования турбулентности не удавалось, поэтому Физо наблюдал сдвиг интерференционных полос вблизи точки  через микрометр. При увеличении скорости воды до  полосы сдвигались на  своей толщины, при этом по теории Френеля эта доля должна была составить . Таким образом, теория частичного увлечения эфира движущимися телами хорошо описывала результаты опыта Физо.

Завершая изложение экспериментов Араго, Эйри и Физо, укажем на современный подход к распространению света в движущейся среде. Согласно теории относительности, все инерциальные системы отсчета эквивалентны: нет «выделенной» системы отсчета, связанной с мировым эфиром. Однако формула сложения скоростей модифицируется. Пусть некоторая частица двигалась со скоростью  в направлении оси  лабораторной системы отсчета (ЛСО). Тогда относительно другой системы отсчета, движущейся относительно ЛСО со скоростью  в том же направлении, скорость частицы составит

где  — скорость света в вакууме. Отсюда в среде с показателем преломления , движущейся со скоростью , скорость света равна

поскольку относительно среды она составляет . Получается знакомая нам формула для частичного увлечения эфира Френеля.

Заметим, однако, что релятивистская формула сложения скоростей никоим образом не зависит от природы частицы или, — если вместо частицы распространяется волна, — от среды ее распространения. В терминах теории Френеля, существует только один эфир, и он является средой как для движения шариков, брошенных под углом к горизонту, так и для распространения световых волн. Это, очевидно, существенно отличается от взглядов Френеля, да и вообще взглядов физиков XIX века.

<<К предыдущему эксперименту  |  Специальная теория относительности  |  К следующему эксперименту>>