1.3. Опыт Физо

Рис. 1.3

Идея опыта Физо состояла в измерении скорости света в движущейся воде. Схема опыта изображена на рисунке. Свет от источника S падает на полупрозрачную пластинку А и разделяется на два луча. Один из них проходит путь АВСDА, а другой – АDСВА, то есть противоположно первому. Оба луча затем встречаются в интерферометре И. Оба луча проходят один и тот же путь. На участках ВС и АD они распространяются в воде. Если вода покоится, то время прохождения обоих лучей одинаково. Если жидкость движется, то скорость одного из них направлена по течению, а другого против течения. В результате один из лучей будет запаздывать, и в интерферометр они придут с разностью хода, которую можно измерить, а по ней вычислить скорость света на участках с водой. Пусть l – общая длина пути света в жидкости, u⁺ – скорость света по течению жидкости, u^– – против течения. Допустим, что эфир частично увлекается жидкостью, и его скорость относительно установки равна au, где u – скорость течения жидкости, a – коэффициент увлечения эфира. Тогда, согласно правилу сложения скоростей Галилея, u⁺=u'+au, а u^–=u'–au, где u' – скорость света в среде. Разность хода во времени обоих лучей

.

Измерив по смещению интерференционных полос разность хода и зная l, u, u', можно найти a.

Из опыта Физо следует, что , где n – показатель преломления среды. Очевидно, что a отличен от единицы, поэтому можно говорить о частичном увлечении эфира движущейся жидкостью. Однако для воздуха, показатель преломления которого равен единице, a=0, то есть воздействие атмосферы Земли не должно вызывать увлечения эфира, поэтому результат опыта Майкельсона нельзя объяснить увлечением эфира при вращении прибора.

Опыты Майкельсона и Морли, опыты Физо и некоторые другие эксперименты вынудили физиков отвергнуть гипотезу об эфире, полностью увлекаемом движущимися телами. Результаты опытов можно объяснить, если принять, что скорость света одинакова во всех направлениях. Положение о постоянстве скорости света противоречит правилу сложения скоростей. Есть ли другой путь объяснения результатов опыта Майкельсона?

1.4. Баллистическая гипотеза

Рис. 1.4

Если предположить, что свет представляет поток материальных частиц – корпускул (как предполагал в свое время Ньютон), то естественно считать, что их скорость относительно источника является постоянной величиной и складывается со скоростью источника по правилу параллелограмма. На основании этой гипотезы результаты опытов Майкельсона и Морли объясняются естественным образом. Так как, согласно баллистической гипотезе, скорость света относительно источника во всех направлениях имеет одно и то же значение, то никакой разности хода в этом опыте не должно быть.

Однако наблюдение за поведением двойных звезд показывает несостоятельность баллистической гипотезы. Двойная звезда представляет две близко расположенные звезды, движущиеся вокруг общего центра масс. Если масса одной звезды много больше другой, то можно принять, что малая звезда движется вокруг массивной, которую можно считать неподвижной, со скоростью u. Период ее обращения равен T. Луч света, испущенный звездой, когда она находилась в положении В и двигалась от наблюдателя, будет распространяться со скоростью c–u и дойдет до наблюдателя в момент времени , где s – расстояние от звезды до наблюдателя. Через половину периода обращения T/2 звезда испустит луч из точки А, двигаясь по направлению к наблюдателю. Скорость этого луча при движении к наблюдателю равна c+u. Следовательно, луч, испущенный в точке А, достигнет глаза наблюдателя в момент времени .

Если расстояние s достаточно велико, то второй луч, имея большую скорость, может обогнать первый. На больших расстояниях луч, испущенный из точки А, может обогнать луч, испущенный из точки В на предыдущем обороте, и наблюдатель увидит звезду одновременно в нескольких точках орбиты. В действительности этого не наблюдается. Наоборот, результат наблюдения двойных звезд соответствует законам Кеплера и законам постоянства скорости света, не зависящей от скорости движения источника. А опыт Майкельсона–Морли показывает, что скорость света не зависит и от скорости движения приемника.

Постоянство скорости света находится в глубоком противоречии с правилом сложения скоростей Галилея, которые являются следствием преобразований координат. Однако это противоречие становится заметным лишь при скоростях, близких к скорости света.