Fizeau kísérletét Hippolyte Fizeau végezte 1851-ben, hogy megmérje a fény relatív sebességét mozgó vízben. Fizeau egy speciális interferométer segítségével mérte a közeg mozgásának a fénysebességre gyakorolt hatását.
Az akkori elmélet szerint a mozgó közegen áthaladó fényt az a közeg úgy vonszolná magával, hogy a mért fénysebesség a közegen belüli sebességének és a közeg sebességének egyszerű összege lenne. Fizeau talált húzóhatást, de a megfigyelt hatás mérete jóval kisebb volt a vártnál. Amikor víz helyett levegővel megismételte a kísérletet, nem vett észre semmilyen hatást. Eredményei megerősíteni látszottak Fresnel hipotézisét az éter közeg általi részleges vonzásával kapcsolatban , ami a legtöbb fizikust megzavarta. Több mint fél évszázad telt el, míg Albert Einstein speciális relativitáselméletével kielégítő magyarázatot talált Fizeau váratlan eredményére . Később Einstein rámutatott a kísérlet fontosságára a speciális relativitáselmélet szempontjából, amelyben bemutatja a sebességek összeadásának relativisztikus képletét az alacsony sebességek határán.
Bár egy konkrét kísérletet Fizeau-kísérletnek neveznek, nem ez volt az egyetlen kísérlet, amelyet ez a fizikus végzett, mert aktív kísérletező volt, aki a fénysebesség mérésével kapcsolatos kísérletek széles skáláját végzett különféle helyzetekben.
Fizeau 1851-es kísérletének nagymértékben leegyszerűsített ábrázolása a 2. ábrán látható. A beérkező fényt egy sugárosztó (BS) két sugárra osztja, és két vízcsövön vezeti át, amelyekben a víz ellentétes irányban áramlik. A két nyaláb ezután ismét egyesül, és olyan interferenciamintát képez, amelyet a megfigyelő értelmezni tud [S 1] . Az egyszerűsített kialakítás, amely a 2. ábrán látható kétkarú interferométer , monokromatikus fényt igényelne , ami csak halvány rojtokat eredményezne. A fehér fény kis koherencia-hossza miatt az optikai útillesztés nem praktikus pontosságig lenne szükséges, és a készülék rendkívül érzékeny lenne a rezgésekre, a mechanikai eltolódásokra és a hőmérsékleti hatásokra [P 1] .
Másrészt a 3. és 4. ábrán látható tényleges Fizeau készülék közös útvonalú interferométerként volt konfigurálva . Ez biztosította, hogy az ellentétes sugarak egyenértékű pályát vegyenek be, így a peremek könnyen kialakulnak még akkor is, ha a napot fényforrásként használjuk:
A kettős fényáteresztés a mozgó közegben megtett távolság növelése, valamint a két cső közötti véletlen hőmérséklet- vagy nyomáskülönbség teljes kompenzálása érdekében történt, ami miatt a peremek eltolódása következhetett be, ami keveredik a mozgással, ami egy mozgást okozhat, és így a megfigyelését határozatlanná teheti [P 2] [P 3] .
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] A fény kettős áthaladásának célja a mozgó közegben megtett távolság növelése, valamint a két cső közötti véletlen hőmérséklet- vagy nyomáskülönbség teljes kompenzálása volt, ami a peremek elmozdulását eredményezheti, ami keveredni kell az elmozdulással, amelyet a mozgás önmagában eredményezett volna; és így bizonytalanná tették annak megfigyelését.Az S′ forrásból érkező fénysugarat a G sugárosztó visszaveri, és az L lencse párhuzamos nyalábbá kollimálja . Az O 1 és O 2 réseken való áthaladás után a két fénysugár belép az A 1 és A 2 csövekbe , amelyeken keresztül a víz ellentétes irányban áramlik, ahogy azt a nyilak mutatják. A sugarak az L' lencse fókuszában lévő m tükörről verődnek vissza , így az egyik sugár mindig a víz áramlásával azonos irányba, a másik pedig a vízáramlással ellentétes irányban terjed. A csöveken való oda-vissza áthaladás után mindkét sugár az S pontban egyesül , ahol interferenciaperemeket hoznak létre, amelyek a szemlencsén keresztül is láthatók. Az interferenciamintázat elemezhető a cső egyes szakaszaiban áthaladó fény sebességének meghatározására [P 2] [P 4] [S 2] .
Feltételezzük, hogy a víz v sebességgel folyik át a csöveken . A világító éter nem relativisztikus elmélete szerint a fény sebességének növekednie kell, ha a víz "elvonja", és csökkennie kell, ha "leküzdi" a víz ellenállását. A fénysugár teljes sebességének a vízben mért sebességének és a vízsebességnek az egyszerű összege kell legyen. Vagyis ha n a víz törésmutatója , tehát c/n a fénysebesség állóvízben, akkor a fény előre jelzett sebessége w egy karban
és az előre jelzett sebesség a másik karban az lesz
Ezért a víz áramlásával szemben mozgó fénynek lassabbnak kell lennie, mint a víz áramlásának irányában mozgó fénynek. A két nyaláb közötti interferencia mintázata , amikor a fény a megfigyelőnél gyűlik össze, a két út haladási idejétől függ, és felhasználható a fénysebesség kiszámítására a víz sebességének függvényében [S 3] .
Fizeau ezt fedezte fel
Más szóval, úgy tűnt, hogy a víz magával ragadja a fényt, de a magával ragadó mennyiség sokkal kisebb volt a vártnál.
Fizeau kísérlete arra késztette a fizikusokat, hogy felismerjék Augustin Jean Fresnel (1818) régi, elméletileg nem kielégítő elméletének empirikus érvényességét , amelyet Arago 1810-es kísérletének magyarázatára használtak , nevezetesen, hogy egy rögzített éterben mozgó közeg magával ragadja a fényt. csak részben terjed át rajta a közeg sebességén, az f elragadási együtthatót határozza meg
1895-ben Hendrik Lorentz megjósolta egy további tag létezését a szóródás miatt [S 4] :15–20 :
Mivel a közeg a megfigyelő felé vagy onnan távolodik, a közegen áthaladó fény Doppler-eltolódásnak van kitéve, és a képletben használt törésmutatónak meg kell egyeznie a Doppler eltolt hullámhosszal [P 5] . Zeeman 1915-ben megerősítette a Lorentz-diszperziós tag létezését [P 6] .
Később kiderült, hogy a Fresnel légellenállási együttható összhangban van a sebességek összeadásának relativisztikus képletével, lásd a Levezetés speciális relativitáselméletben részt .
Albert A. Michelson és Edward W. Morley (1886) [P 7] megismételték Fizeau kísérletét nagyobb pontossággal, több problémát megoldva Fizeau eredeti kísérletével:
Michelson nagyobb csövekkel és nagyobb tározóval korszerűsítette Fizeau készülékét, amely három percig folyamatos vízáramlást biztosított. Általános útinterferométer - konstrukciója automatikus úthossz-kompenzációt biztosított, így a fehér fénycsíkok azonnal láthatóak voltak, amint az optikai elemeket beállították. Topológiailag a fényút a Sagnac interferométer útja volt , minden fényútban páros számú visszaverődéssel [S 5] . Ez rendkívül stabil sávokat eredményezett, amelyek először is teljesen érzéketlenek voltak optikai komponenseinek bármilyen mozgására. A stabilitás olyan volt, hogy be tudott helyezni egy üveglapot ( h az 5. ábrán), vagy akár egy meggyújtott gyufát is a fény útjába tudott tartani anélkül, hogy a csíkrendszer középpontját eltolná. Ezzel a műszerrel Michelson és Morley teljes mértékben meg tudták igazolni Fizeau eredményeit nemcsak vízben, hanem levegőben is [P 7] .
További kísérleteket Peter Zeeman végzett 1914-1915-ben. Az Amszterdam fő vízellátásához közvetlenül csatlakoztatott Michelson-készülék kibővített változatának felhasználásával Zeeman kiterjesztett méréseket tudott végrehajtani monokromatikus fénnyel, az ibolya (4358 Å) és a vörös (6870 Å) között, hogy megerősítse a módosított Lorentz-együtthatót [P 8] [ P 6] . 1910-ben Franz Harress forgó eszközt használt, és általában megerősítette a Fresnel légellenállási együtthatót. Emellett azonban felfedezett egy "szisztematikus hibát" az adatokban, amelyről később kiderült, hogy a Sagnac-effektus [S 6] .
Azóta számos kísérletet végeztek ilyen légellenállási együtthatók mérésére különböző törésmutatókkal rendelkező anyagokban, gyakran a Sagnac-effektussal kombinálva [S 7] – például gyűrűs lézerekkel forgó korongokkal együtt végzett kísérletekben [ P 9] [P 10] [P 11] [P 12] vagy neutron interferometrikus kísérletekben [P 13] [P 14] [P 15] . Szintén megfigyelhető volt egy keresztirányú ellenállás, azaz amikor a közeg merőlegesen mozog a beeső fény irányára [P 5] [P 16] .
A Fresnel légellenállási együttható közvetett megerősítését Martin Hook szolgáltatta 1868-ban [P 17] [S 8] . Felállítása hasonló volt Fizeau-éhoz, bár az ő verziójában az interferométernek csak az egyik karja tartalmazott állóvízzel teli területet, míg a másik kar a levegőben volt. Az éterben nyugvó megfigyelő szempontjából a Föld, tehát a víz is mozgásban van. Így Hook a következő haladási időket számította ki két ellentétes irányba mozgó fénysugárra (a keresztirány figyelembevétele nélkül, mint a 6. ábrán):
|
Az átfutási idők nem egyeznek, ami interferencia-eltolódáshoz vezethet. Ha azonban a Fresnel légellenállási együtthatót vízre alkalmazzuk egy éteri vonatkoztatási rendszerben, akkor az áthaladási idő különbsége (a v/c -ben az első nagyságrendig ) eltűnik. Különféle beállításokat használva a Hook nulla eredményt kapott, megerősítve a Fresnel légellenállási együtthatót. (Hasonló kísérlethez, amely megcáfolja az éteri szél árnyékolásának lehetőségét, lásd Hammar kísérletét .)
A kísérletnek az ábrán látható sajátos változatában Hooke egy P prizmát használt, hogy a résből származó fényt spektrumra bontsa, amely áthaladt a C kollimátoron, mielőtt belépett a műszerbe. Amikor az eszközt a feltételezett éterszellel párhuzamosan irányították, Hooke arra számított, hogy az egyik áramkörben a fény 7/600 mm-rel késik a másikhoz képest. Ahol ez a lassulás egész számú hullámhossz volt, konstruktív interferenciára számított; ahol ez a lassulás fél egész számú hullámhossz, destruktív interferencia. Elragadás hiányában arra számított, hogy a megfigyelt spektrum folytonos lesz, ha a műszer az éteri szélre irányul, és az éteri széllel párhuzamosan orientált műszerhez kapcsolódik. A tényleges kísérleti eredményei teljesen negatívak voltak [P 17] [S 8] .
Bár Fresnel hipotézise a részleges éterellenállásról empirikusan sikeresnek bizonyult Fizeau kísérletének eredményeinek magyarázatában, a terület vezető szakértői közül sokan, köztük maga Fizeau (1851), Elever Mascara (1872), Kettler (1873), Veltmann (1873) ) és Lorenz (1886), erősen megkérdőjelezték. Fresnel hipotézisének ingatag elméleti alapja van. Például Veltmann (1870) kimutatta, hogy a Fresnel-képlet azt jelenti, hogy az étert különböző mértékben kell húzni a különböző hullámhosszú fényekhez, mivel a törésmutató a hullámhossztól függ; Muscart (1872) hasonló eredményt mutatott a kettőstörő közegen áthaladó polarizált fényre. Más szóval, az éternek képesnek kell lennie egyidejűleg különböző mozgások támogatására [S 9] .
Fizeau elégedetlensége saját tapasztalatainak eredménnyel jól látható cikkének következtetésében:
Számomra úgy tűnik, hogy a kísérlet sikere szükségessé teszi Fresnel hipotézisének elfogadását, vagy legalábbis azt a törvényt, amelyet a fénysebesség egy test mozgása hatására bekövetkező változásának kifejezésére talált; Mert bár ennek a törvénynek az igaznak való elismerése nagyon erős bizonyíték lehet a hipotézis mellett, amelynek következménye, de Fresnel felfogása talán olyan rendkívülinek és bizonyos szempontból olyan nehéznek tűnik, hogy elismerjük, hogy más bizonyítékok és mélyreható kutatások a külsőre továbbra is szükség lesz.geometrikus méréseket, mielőtt elfogadná az eset valós tényeinek kifejezéseként [P 2] .
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] Úgy tűnik számomra, hogy a kísérlet sikere szükségessé teszi Fresnel hipotézisének elfogadását, vagy legalábbis azt a törvényt, amelyet a fény sebességének egy test mozgása általi változásának kifejezésére talált; Mert bár ez a törvény igaznak talált igen erős bizonyítéka lehet annak a hipotézisnek, amelynek csak következménye, de Fresnel felfogása talán olyan rendkívülinek és bizonyos tekintetben olyan nehezen elismerhetőnek tűnhet, hogy más bizonyítékok és a geometrikusok részéről még alapos vizsgálatra lesz szükség, mielőtt az ügy valós tényeinek kifejezéseként elfogadnák.Annak ellenére, hogy a legtöbb fizikus elégedetlen Fresnel hipotézisével a részleges éterellenállásról, kísérletének más kutatók általi megismétlése és továbbfejlesztése (lásd a fenti szakaszokat ) nagy pontossággal megerősítette eredményeit.
Az éter parciális ellenállás-hipotézisének problémái mellett egy másik komoly probléma is felmerült a Michelson-Morley-kísérlet kapcsán (1887). Fresnel elméletében az éter szinte mozdulatlan, így a kísérletnek pozitív eredményt kellett volna adnia. Ennek a kísérletnek az eredménye azonban negatív volt. Így az akkori étermodellek szempontjából a kísérleti helyzet ellentmondásos volt: egyrészt a fény aberrációja , a Fizeau-kísérlet, valamint Michelson és Morley kísérletének 1886-os megismétlése megerősíteni látszott a az éter részleges elragadtatása. Másrészt az 1887-es Michelson-Morley-kísérlet bizonyítani látszott, hogy az éter nyugalomban van a Földhöz képest, ami nyilvánvalóan alátámasztotta a teljes éterellenállás gondolatát (lásd: Aether Drag hipotézis ) [S 10 ] . Így Fresnel hipotézisének maga a sikere Fizeau eredményeinek magyarázatában olyan elméleti válsághoz vezetett, amely csak a speciális relativitáselmélet megjelenéséig oldódott meg [S 9] .
1892-ben Hendrik Lorentz a Fresnel-modell olyan módosítását javasolta, amelyben az éter teljesen álló helyzetben van. A Fresnel légellenállási együtthatót a mozgó víz és a nem vonzott éter kölcsönhatása eredményeként sikerült megszereznie [S 10] [S 11] :25–30 . Azt is megállapította, hogy az egyik referenciakeretből a másikba való átmenet egyszerűsíthető egy segédidőváltozó használatával, amelyet helyi időnek nevezett [S 12] :
1895-ben Lorentz általánosabban magyarázta a Fresnel-együtthatót a helyi idő fogalmával. Lorentz elméletének azonban ugyanaz az alapvető problémája volt, mint Fresnelének: a rögzített éter ellentmond a Michelson-Morley kísérletnek . Tehát 1892-ben Lorentz azt javasolta, hogy a mozgó testek összehúzódjanak a mozgás irányában (a Fitzgerald-Lorentz összehúzódási hipotézis , mivel George Fitzgerald már 1889-ben erre a következtetésre jutott). A hatások leírására használt egyenleteket 1904 előtt dolgozta ki. Ezeket ma Lorentz-transzformációnak nevezik utána, és formájukban megegyeznek azokkal az egyenletekkel, amelyeket Einstein később az első elvekből származtatott. Azonban az Einstein-egyenletekkel ellentétben a Lorentz-féle transzformációkat csak egy adott probléma megoldására írták fel, és egyetlen indoklásuk az volt, hogy működni látszottak [S 10] [S 11] :27–30 .
Einstein megmutatta, hogy a Lorentz-egyenletek logikai következményként levezethetők két egyszerű kezdeti posztulátumból. Ezenkívül Einstein felismerte, hogy az álló éter fogalmának nincs helye a speciális relativitáselméletben, és hogy a Lorentz-transzformáció a tér és az idő természetére vonatkozik. A mágnes és a vezető mozgásának problémájával , a negatív éter-drifttel és a fény aberrációjával végzett kísérletekkel együtt Fizeau kísérlete az egyik legfontosabb kísérleti eredmény lett, amely Einstein relativitáselméletét alkotta [S 13] [S 14] . Robert S. Shankland beszámolt néhány Einsteinnel folytatott beszélgetésről, amelyekben Einstein hangsúlyozta a Fizeau-kísérlet fontosságát [S 15] :
Kifejtette, hogy a kísérleti eredmények, amelyek leginkább befolyásolták őt, a csillagok aberrációjának megfigyelései és Fizeau fénysebesség-mérései voltak mozgó vízben. „Elég voltak” – mondta.
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] Továbbra is azt mondta, hogy a kísérleti eredmények, amelyek a legnagyobb hatással voltak rá, a csillagok aberrációjának megfigyelései és Fizeau mérései voltak a fénysebesség mozgó vízben. „Elég voltak” – mondta.Max von Laue (1907) kimutatta, hogy a Fresnel-féle „ellenállási együttható” könnyen megmagyarázható a sebességek összeadásának relativisztikus képletének [S 16] természetes következményeként , nevezetesen:
A fénysebesség állóvízben c/n . A sebességek összeadásának törvényéből következik, hogy a laboratóriumban megfigyelt fénysebesség, ahol a víz v sebességgel áramlik (a fénnyel azonos irányban), egyenlő Tehát a sebességkülönbség (feltéve , hogy v kicsi c - hez képest , a magasabb rendű tagok kiesnek) Ez akkor igaz, ha v / c ≪ 1 , és összhangban van a Fizeau méréseken alapuló képlettel, amely kielégíti a v / c ≪ 1 értéket .Fizeau kísérlete tehát megegyezik az Einstein-féle sebesség-addíciós képlet kollineáris esetével [P 18] .
Másodlagos források
A speciális relativitáselmélet kísérleti igazolása | |
---|---|
Sebesség/izotrópia | |
Lorentz invariancia |
|
Időtágulás Lorentz kontrakció |
|
Energia |
|
Fizeau/Sagnac | |
Alternatívák | |
Tábornok |
|