Распространение света в движущихся средах

Теория увлекаемого эфира. Опыт Физо

Герц создал теорию, основанную на утверждении что мировой эфир, заполняющий все пространство, полностью увлекается материальными телами при их движении. Таким образом, оптические явления в движущейся среде разыгрываются в эфире, движущимися без отставания с этой средой, и, следовательно, наблюдение над явлениями в движущихся средах не дают возможности установить это движение. Другими словами, теория Герца переносит механический принцип относительности в оптику. Используя уравнение преобразования Галилея, Герц создал уравнения электродинамики. Теория Герца противоречила со многими опытами, в том числе с опытом Физо.

Рис. 9.5. Схема опыта Физо

Это - интерференционный опыт, где интерферирующие пучки проходят по заполненным водой сообщающимся трубам, длина каждой из которых равна ℓ (рис. 9.5). В случае неподвижной воды наблюдается определённая интерференционная картина. Добавочную разность хода луча II, дважды проходящего через стеклянную пластинку, можно скомпенсировать или учесть. Если вода приведена в движение со скоростью υ, втекая в А и вытекая из В, то луч I будет внутри воды распространяться в направлении её движения, а луч II - навстречу движению. Если эфир, в котором распространяются световые волны, увлекается движущейся водой, как предполагает теория Герца, то скорость как луча I, так и луча II будет по отношению к воде одной и той же, равной скорости света в покоящейся воде, т.е. с₁=с/n, где с - скорость света в свободном эфире и n - показатель преломления воды. Пот отношению же к зеркалам прибора скорость света на отрезке пути, проходящем в движущейся воде, будет зависеть от направления течения воды, а именно: она будет равна (с₁+υ) для луча I и (с₁-υ) для луча II.

В результате наблюдалось смещение интерференционных полос, соответствующее разности хода, примерно в два раза меньшей, чем следует из теории эфира, вполне увлекаемого движущейся средой. Таким образом, наблюдаемое смещение не может быть согласовано с теорией Герца. Но оно находится в превосходном согласии с теорией Френеля, сформулированной им ещё в 1818 г. Френель выдвинул теорию, согласно которой эфир увлекается движущимися телами, в частности Землёй, а проходит через них. При движении вещества эфир, входя в него, должен уплотняться.

Следовательно, явление протекает так, как если бы имело место частичное увлечение эфира, причём коэффициент увлечения равен

Для воды c=0,438; Физо нашёл из своих измерений смещение полос интерференции, соответствующее c=0,46, тогда как теория Герца даёт c=1.

Таким образом, теория Герца, основанная на представлении о полном увлечении эфира движущимися телами, не согласуется с оптическим и электродинамическими опытами.

Теория неподвижного эфира. Опыт Майкельсона

Лорентц исходил из допущения, что эфир вполне неподвижен и не принимает участия в движение материальных сред. Абсолютная система отсчёта может быть связана с неподвижным эфиром, а все другие системы отсчёта будут принципиально отличаться от абсолютной системы. Оптические опыты будут протекать различно в зависимости от скорости движущейся инерциальной системы и могут служить для установления этой скорости по отношению к эфиру, т.е. абсолютной скорости.

Оптика движущихся сред, развитая Лорентцом, есть часть его общей электронной теории, в силу которой все электромагнитные свойства вещества обусловливаются распределением электрических зарядов и их движением внутри неподвижного эфира.

Теория Лорентца означала очень крупный шаг вперёд и разрешала большой круг вопросов, представляющих значительные теоретические трудности. В случае оптических явлений она совпадает с теорией Френеля и также приводит к представлению о частичном увлечении световых волн. По теории Лорентца движение вещества есть движение молекул и связанных с ними зарядов в неподвижном эфире, и учёт этого движения показывает, что в среде, движущейся со скоростью υ, свет распространяется со скоростью с₁+(1-1/n²)υ, где с₁ - скорость света в неподвижной среде. Таким образом, теория Лорентца приводит к формуле частичного увлечения Френеля, хорошо подтверждённой тщательными измерениями.

Принимая во внимание коэффициент увлечения, Лорентц мог доказать общую теорему, согласно которой движение системы не влияет с погрешностью до величин порядка β²=υ²/с² на результаты оптических опытов с замкнутым путем света, т.е. опытов, к которым принадлежат все интерференционные явления. Таким образом, с помощью таких опытов можно, согласно теории Лорентца-Френеля, обнаружить движение Земли относительно эфира, предполагаемого неподвижным, но лишь при условии, что точность опытов позволяет учитывать величины второго порядка (β² по сравнению с единицей), т.е. если погрешности при их выполнении не превышают примерно 10^-8. Все эффекты первого порядка в таких опытах с замкнутым оптическим путём компенсируются благодаря явлению частичного увлечения. Поэтому особый принципиальный интерес приобретают опыты, обеспечивающие погрешности не более β².

Реальным опытом, выполняемым с такой точностью является интерференционный опыт Майкельсона, представляющий, по существу, определение скорости распространения света в направлении, совпадающем с направлением движения Земли, и в направлении, к нему перпендикулярном. Опыт выполняется по схеме рис. 9.6, причём интерферометр Майкельсона располагается таким образом, чтобы одно плечо его совпадало с направлением движения Земли, а другое было к нему перпендикулярно. При повороте всего прибора на 90^° следует ожидать изменения интерференционной картины, по которому и можно судить о влиянии движения Земли на интерференционный опыт и вычислить абсолютную скорость этого движения в эфире. Действительно, в рамках теории Лорентца время на прохождение пути МВ и обратно есть Т₁+Т₂, где Т₁ определяется из условия

Рис. 9.6. Схема опыта Майкельсона

Т₁с=ℓ+υТ₁,

а Т₂ - из условия

Т₂с=ℓ-υТ₂;

здесь ℓ=МА=МВ - длина плеча интерферометра.

Итак,

В перпендикулярном направлении, с учётом движения прибора, время прохождения от М до А' и обратно к М' будет равно 2Т.

.

Таким образом, разность времени, обусловленная движением прибора вместе с Землёй, равна

.

При повороте прибора на 90º разность эта меняет знак.

Рис. 9.7. К расчету разности хода в опыте Майкельсона

Опыт был впервые выполнен Майкельсоном в 1881 г. С точностью, лежащей на границе необходимой. Он повторялся многократно со всё большими и большими усовершенствованиями, причём удлинялся путь ℓ и совершенствовались методы наблюдения. По мере совершенствования опыта все с большей уверенностью констатируется отсутствие того смещения полос, которого следует ожидать по теории Лорентца.

Он является одним из наиболее надёжных опытов, подвергающих проверке вопрос об увлечении эфира движущимися телами и, следовательно, исходные положения теории Лорентца.