§ 149. Опыт Физо

До сих пор мы предполагали, что источники, приемники и другие тела, относительно которых рассматривалось распространение света, неподвижны. Естественно заинтересоваться вопросом, как скажется на распространении света движение источника световых волн. При этом возникает необходимость указать, относительно чего происходит движение. В § 103 мы выяснили, что движение источника или приемника звуковых волн относительно среды, в которой эти волны распространяются, оказывает влияние на протекание акустических явлений (эффект Доплера) и, следовательно, может, быть обнаружено.

Первоначально волновая теория рассматривала свет как упругие волны, распространяющиеся в некой гипотетической среде, получившей название мирового эфира. После создания теории Максвелла на смену упругому эфиру пришел эфир — носитель электромагнитных волн и полей. Под этим эфиром подразумевалась особая среда, заполняющая, как и ее предшественник упругий эфир, все мировое пространство и пронизывающая все тела. Раз эфир представлял собой некую среду, можно было рассчитывать обнаружить движение тел, например источников или приемников света, по отношению к этой среде.

В частности, следовало ожидать существования «эфирного ветра», обдувающего Землю при ее движении вокруг Солнца.

В механике был установлен принцип относительности Галилея, согласно которому все инерцнальные системы отсчета являются в механическом отношении равноправными. Обнаружение эфира сделало бы возможным выделение (с помощью оптических явлений) особенной (связанной с эфиром), преимущественной, абсолютной системы отсчета. Тогда движение остальных систем можно было бы рассматривать по отношению к этой абсолютной системе.

Таким образом, выяснение вопроса о взаимодействии мирового эфира с движущимися телами играло принципиальную роль.

Рис. 149.1.

Можно было допустить три возможности: 1) эфир совершенно не возмущается движущимися телами; 2) эфир увлекается движущимися телами частично, приобретая скорость, равную где v — скорость тела относительно абсолютной системы отсчета, а — коэффициент увлечения, меньший единицы; 3) эфир полностью увлекается движущимися телами, например Землей, подобно тому, как тело при своем движении увлекает прилежащие к его поверхности слои газа. Однако последняя возможность опровергается существованием явления аберрации света. В предыдущем параграфе мы выяснили, что изменение видимого положения звезд может быть объяснено движением телескопа относительно системы отсчета (среды), в которой распространяется световая волна.

Для выяснения вопроса о том, увлекается ли эфир движущимися телами, Физо осуществил в 1851 г. следующий опыт. Параллельный пучок света от источника разделялся посеребренной полупрозрачной пластинкой Р на два пучка, обозначенных цифрами 1 и 2 (рис. 149.1). За счет отражения от зеркал пучки, пройдя в общей сложности одинаковый путь L, снова попадали на пластинку Р. Пучок 1 частично проходил через Р, пучок 2 частично отражался, в результате чего возникало два когерентных пучка 1 и 2, которые давали в фокальной плоскости зрительной трубы интерференционную картину в виде полос.

На пути пучков и 2 были установлены две трубы, по которым могла пропускаться вода со скоростью и в направлениях, указанных стрелками. Луч 2 распространялся в обеих трубах навстречу току воды, луч по течению.

При неподвижной воде пучки 1 и 2 проходят путь L за одинаковое время. Если вода при своем движении хотя бы частично увлекает эфир, то при включении тока воды луч 2, который распространяется против течения, затратит на прохождение пути L большее время, чем луч распространяющийся по течению. В результате между лучами возникнет некоторая разность хода, и интерференционная картина сместится.

Интересующая нас разность хода возникает лишь на пути лучей, пролегающем в воде. Этот путь имеет длину 21. Обозначим скорость света относительно эфира в воде буквой р. Когда эфир не увлекается водой, скорость света относительно установки будет совпадать с v. Предположим, что вода при своем движении частично увлекает эфир, сообщая ему относительно установки скорость а и (и — скорость воды, —коэффициент увлечения). Тогда скорость света относительно установки будет равна и для луча и для луча 2. Луч пройдет путь 21 за время луч 2 — за время Из формулы (115.4) вытекает, что оптическая длина пути, на прохождение которой затрачивается время t, равна Следовательно, разность хода лучей и 2 равна Разделив на , получим число полос, на которое сместится интерференционная картина при включении тока вода:

Физо обнаружил, что интерференционные полосы действительно смещаются. Соответствующее смещению значение коэффициента увлечения оказалось равным

где — показатель преломления воды. Таким образом, опыт Физо показал, что эфир (если он существует) увлекается движущейся водой только частично. 1

Легко убедиться в том, что результат опыта Физо объясняется релятивистским законом сложения скоростей. Согласно первой из формул (66.1) 1-го тома скорости некоторого тела в системах связаны соотношением

— скорость системы К относительно системы К).

Свяжем с прибором Физо систему отсчета К, а с движущейся водой — систему К.

Тогда роль будет играть скорость течения воды и, роль — скорость света относительно воды, равная и, наконец, роль — скорость света относительно прибора Подстановка этих значений в формулу (149.2) дает

Скорость течения воды и много меньше с. Поэтому полученное выражение можно упростить следующим образом:

(мы пренебрегли членом ).

Согласно классическим представлениям скорость света относительно прибора равна сумме скорости света относительно эфира, т. е. и скорости эфира относительно прибора, т. е.

Сравнение с формулой (149.3) дает для коэффициента увлечения а значение, полученное Физо (см. (149.1)).

Следует иметь в виду, что одинакова во всех системах отсчета лишь скорость света в вакууме. Скорость света в веществе различна в разных системах Отсчета. Значение она имеет в системе отсчета, связанной со средой, в которой происходит распространение света.