Fizeaus eksperiment blev udført af Hippolyte Fizeau i 1851 for at måle lysets relative hastighed i vand i bevægelse. Fizeau brugte et specielt interferometer til at måle effekten af et mediums bevægelse på lysets hastighed.
Ifølge den fremherskende teori på det tidspunkt ville lys, der passerer gennem et medium i bevægelse, blive trukket med af mediet på en sådan måde, at den målte lyshastighed ville være den simple sum af dets hastighed i mediet og mediets hastighed. Fizeau fandt en trækeffekt, men den observerede effektstørrelse var meget lavere end forventet. Da han gentog forsøget med luft i stedet for vand, mærkede han ingen effekt. Hans resultater så ud til at bekræfte Fresnels hypotese om den delvise slæbning af æteren af mediet , hvilket forvirrede de fleste fysikere. Der gik mere end et halvt århundrede, før der var en tilfredsstillende forklaring på Fizeaus uventede resultat ved hjælp af Albert Einsteins specielle relativitetsteori . Senere påpegede Einstein vigtigheden af eksperimentet for den særlige relativitetsteori, hvor han demonstrerer den relativistiske formel for at addere hastigheder i grænsen for lave hastigheder.
Selvom et specifikt eksperiment omtales som Fizeau-eksperimentet, var det ikke det eneste eksperiment udført af denne fysiker, fordi han var en aktiv eksperimentator, der udførte en lang række forskellige eksperimenter relateret til måling af lysets hastighed i forskellige situationer.
En meget forenklet fremstilling af Fizeaus eksperiment fra 1851 er vist i figur 2. Det indkommende lys opdeles i to stråler af en stråledeler (BS) og passerer gennem to rør med vand, hvori vandet strømmer i modsatte retninger. De to stråler kombineres derefter igen for at danne et interferensmønster, som observatøren kan fortolke [S 1] . Det forenklede design, som er det to-armede interferometer vist i figur 2, ville kræve brugen af monokromatisk lys , som kun ville producere svage frynser. På grund af den lille kohærenslængde af hvidt lys ville optisk vejtilpasning være nødvendig med en upraktisk grad af nøjagtighed, og enheden ville være ekstremt følsom over for vibrationer, mekaniske skift og temperatureffekter [P 1] .
På den anden side var det faktiske Fizeau-apparat vist i figur 3 og figur 4 konfigureret som et fælles vej-interferometer . Dette sikrede, at modsatte stråler ville tage tilsvarende veje, så frynser dannes let, selv når solen bruges som lyskilde:
Den dobbelte passage af lys blev udført for at øge den tilbagelagte afstand i det bevægende medium, og desuden for fuldt ud at kompensere for enhver utilsigtet forskel i temperatur eller tryk mellem de to rør, på grund af hvilken en forskydning af frynserne kunne forekomme, hvilket kunne være blandet med bevægelsen, hvilket kunne forårsage én bevægelse og dermed gøre dens observation ubestemt [P 2] [P 3] .
Originaltekst (engelsk)[ Visskjule] Den dobbelte gennemgang af lyset havde til formål at øge den tilbagelagte afstand i mediet i bevægelse, og yderligere at kompensere fuldstændig for enhver utilsigtet temperatur- eller trykforskel mellem de to rør, som kunne resultere i en forskydning af frynserne, hvilket ville blive blandet med den forskydning, som alene bevægelsen ville have frembragt; og dermed har gjort iagttagelsen af den usikker.Lysstrålen, der kommer fra kilden S′ , reflekteres af stråledeleren G og kollimeres til en parallel stråle af linsen L . Efter at have passeret gennem spalterne O 1 og O 2 kommer de to lysstråler ind i rørene A 1 og A 2 , gennem hvilke vand strømmer i modsatte retninger, som vist med pilene. Strålerne reflekteres fra spejlet m ved linsens L' s fokus , således at den ene stråle altid forplanter sig i samme retning som vandstrømmen, og den anden stråle i den modsatte retning af vandstrømmen. Efter at have passeret frem og tilbage gennem rørene, kombineres begge stråler i punktet S , hvor de skaber interferenskanter, der kan ses gennem okularet. Interferensmønsteret kan analyseres for at bestemme lyshastigheden, der bevæger sig gennem hver sektion af røret [P 2] [P 4] [S 2] .
Det antages, at vand strømmer gennem rørene med en hastighed v . Ifølge den ikke-relativistiske teori om den lysende æter , bør lysets hastighed stige, når den "medrives" af vand og falde, når den "overvinder" vandets modstand. Den samlede hastighed af en lysstråle bør være den simple sum af dens hastighed i vand og vandets hastighed. Det vil sige, at hvis n er brydningsindekset for vand, så c/n er lysets hastighed i stille vand, så vil den forudsagte lyshastighed w i den ene arm være
og den forudsagte hastighed i den anden arm vil være
Derfor skal lys, der bevæger sig mod vandstrømmen, være langsommere end lys, der bevæger sig i vandstrømmens retning. Interferensmønsteret mellem to stråler, når lyset opsamles hos observatøren, afhænger af de to vejes rejsetid og kan bruges til at beregne lysets hastighed som funktion af vandets hastighed [S 3] .
Fizeau opdagede det
Med andre ord så det ud til, at vandet medførte lyset, men mængden af medrivende var meget lavere end forventet.
Fizeaus eksperiment fik fysikere til at anerkende den empiriske gyldighed af den gamle, teoretisk utilfredsstillende teori af Augustin Jean Fresnel (1818), som blev brugt til at forklare Aragos eksperiment fra 1810 , nemlig at et medium, der bevæger sig i en fast æter, medfører lyset forplanter sig kun delvist gennem mediet på mediets hastighed, med medbringningskoefficienten f bestemt af
I 1895 forudsagde Hendrik Lorentz eksistensen af et ekstra udtryk på grund af spredning [S 4] :15–20 :
Da mediet strømmer mod eller væk fra iagttageren, er lys, der passerer gennem mediet, udsat for en Doppler-forskydning, og brydningsindekset, der bruges i formlen, skal matche den Doppler-forskudte bølgelængde [P 5] . Zeeman bekræftede eksistensen af Lorentz-spredningsbegrebet i 1915 [P 6] .
Det blev senere konstateret, at Fresnel-modstandskoefficienten stemmer overens med den relativistiske formel for at addere hastigheder, se afsnittet Afledning i speciel relativitet .
Albert A. Michelson og Edward W. Morley (1886) [P 7] gentog Fizeaus eksperiment med forbedret nøjagtighed og løste flere problemer med Fizeaus originale eksperiment:
Michelson opgraderede Fizeaus apparat med større rør og et større reservoir, der gav en kontinuerlig strøm af vand i tre minutter. Hans almindelige sti-interferometerdesign gav automatisk vejlængdekompensation, så de hvide lysstriber var synlige, så snart de optiske elementer blev justeret. Topologisk set var lysbanen banen for Sagnac-interferometeret med et lige antal refleksioner i hver lysbane [S 5] . Dette gav ekstremt stabile bånd, som i første omgang var fuldstændig ufølsomme over for enhver bevægelse af dets optiske komponenter. Stabiliteten var sådan, at han kunne indsætte en glasplade ( h i figur 5) eller endda holde en tændt tændstik i lysets vej uden at flytte midten af stribesystemet. Ved at bruge dette instrument var Michelson og Morley i stand til fuldt ud at bekræfte Fizeaus resultater ikke kun i vand, men også i luft [P 7] .
Andre eksperimenter blev udført af Peter Zeeman i 1914-1915. Ved at bruge en forstørret version af Michelson-apparatet, der var forbundet direkte til Amsterdams hovedvandforsyning , var Zeeman i stand til at udføre udvidede målinger ved hjælp af monokromatisk lys fra violet (4358 Å) til rødt (6870 Å) for at bekræfte den modificerede Lorentz-koefficient [P 8] [ P6] . I 1910 brugte Franz Harress en roterende enhed og bekræftede generelt Fresnel-modstandskoefficienten. Han opdagede dog yderligere en "systematisk fejl" i dataene, som senere viste sig at være Sagnac-effekten [S 6] .
Siden da er der blevet udført mange eksperimenter for at måle sådanne modstandskoefficienter i forskellige materialer med forskellige brydningsindekser, ofte i kombination med Sagnac-effekten [S 7] - for eksempel i forsøg med ringlasere sammen med roterende skiver [ P 9] [P 10] [P 11] [P 12] eller i neutroninterferometriske eksperimenter [P 13] [P 14] [P 15] . En tværgående trækeffekt blev også observeret, dvs. når mediet bevæger sig vinkelret på retningen af det indfaldende lys [P 5] [P 16] .
En indirekte bekræftelse af Fresnel-modstandskoefficienten blev leveret af Martin Hook i 1868 [P 17] [S 8] . Hans opsætning lignede Fizeaus, selvom i hans version kun den ene arm af interferometeret indeholdt et område fyldt med stille vand, mens den anden arm var i luften. Fra en iagttagers synspunkt, der hviler i æteren, er Jorden, og derfor vandet, i bevægelse. Således beregnede Hook følgende rejsetider for to lysstråler, der bevægede sig i modsatte retninger (uden at tage højde for den tværgående retning, som i figur 6):
|
Transittiderne stemmer ikke overens, hvilket burde føre til et interferensskift. Men hvis Fresnel-modstandskoefficienten påføres vand i en æterisk referenceramme, forsvinder forskellen i transittid (op til første orden i v/c ). Ved at bruge forskellige indstillinger fik Hook faktisk et nulresultat, hvilket bekræfter Fresnel-modstandskoefficienten. (For et lignende eksperiment, der afviser muligheden for at skærme den æteriske vind, se Hammars eksperiment .)
I den særlige version af eksperimentet vist på figuren brugte Hooke et prisme P til at opdele lyset fra spalten i et spektrum, der passerede gennem kollimator C , før han kom ind i instrumentet. Da enheden var orienteret parallelt med den hypotetiske ætervind, forventede Hooke, at lyset i det ene kredsløb ville blive forsinket med 7/600 mm i forhold til det andet. Hvor denne afmatning var et heltal af bølgelængder, forventede han at se konstruktiv interferens; hvor denne deceleration er et halvt heltal af bølgelængder, destruktiv interferens. I fravær af entrainment forventede han, at det observerede spektrum ville være kontinuerligt, hvis instrumentet var orienteret på tværs af den æteriske vind, og ville være forbundet med et instrument orienteret parallelt med den æteriske vind. Hans faktiske forsøgsresultater var fuldstændig negative [P 17] [S 8] .
Selvom Fresnels hypotese om delvist ætermodstand viste sig at være empirisk vellykket til at forklare resultaterne af Fizeaus eksperiment, var mange af de førende eksperter på området, herunder Fizeau selv (1851), Elever Mascara (1872), Kettler (1873), Veltmann (1873). ) og Lorenz (1886), blev stærkt udspurgt. Fresnels hypotese har et vaklende teoretisk grundlag. For eksempel påviste Veltmann (1870), at Fresnels formel indebærer, at æteren skal trækkes i forskellige mængder for forskellige bølgelængder af lys, da brydningsindekset afhænger af bølgelængden; Muscart (1872) viste et lignende resultat for polariseret lys, der passerede gennem et dobbeltbrydende medium. Æteren skal med andre ord kunne understøtte forskellige bevægelser samtidigt [S 9] .
Fizeaus utilfredshed med resultatet af hans egen erfaring kan let ses i konklusionen på hans artikel:
Det forekommer mig, at eksperimentets succes gør det nødvendigt at acceptere Fresnels hypotese, eller i det mindste den lov, han fandt for at udtrykke ændringen i lysets hastighed under påvirkning af et legemes bevægelse; thi selv om anerkendelsen af denne lov som sand kan være et meget stærkt bevis til fordel for den hypotese, som den er en konsekvens af, kan Fresnels opfattelse måske virke så ekstraordinær, og i nogle henseender så vanskelig, at indrømme, at andre beviser og dyb forskning fra ydersiden vil stadig være påkrævet geometre før man accepterer det som udtryk for sagens reelle fakta [P 2] .
Originaltekst (engelsk)[ Visskjule] Forsøgets succes forekommer mig at gøre vedtagelsen af Fresnels hypotese nødvendig, eller i det mindste den lov, som han fandt til udtryk for ændringen af lysets hastighed ved virkningen af et legemes bevægelse; thi selv om den lov, der findes sand, kan være et meget stærkt bevis til fordel for den hypotese, som den kun er en konsekvens af, kan opfattelsen af Fresnel måske forekomme så ekstraordinær og i nogle henseender så vanskelig at indrømme, at andre beviser og en dybtgående undersøgelse fra geometriernes side vil stadig være nødvendig, før den vedtages som et udtryk for sagens virkelige fakta.På trods af de fleste fysikeres utilfredshed med Fresnels hypotese om delvis ætermodstand, bekræftede gentagelser og forbedringer af hans eksperiment af andre forskere (se afsnit ovenfor ) hans resultater med høj nøjagtighed.
Ud over problemerne med æterens delvise drag-hypotese opstod et andet alvorligt problem med Michelson-Morley-eksperimentet (1887). I Fresnels teori er æteren næsten ubevægelig, så forsøget burde have givet et positivt resultat. Resultatet af dette eksperiment var dog negativt. Set fra datidens ætermodellers synspunkt var den eksperimentelle situation således selvmodsigende: på den ene side syntes lysets aberration , Fizeau-eksperimentet og Michelsons og Morleys gentagelse af eksperimentet i 1886 at bekræfte delvis fascination af æteren. På den anden side syntes Michelson-Morley-eksperimentet fra 1887 at bevise, at æteren var i ro i forhold til Jorden, hvilket tilsyneladende understøttede ideen om et komplet ætertræk (se Aether Drag Hypothesis ) [S 10 ] . Selve succesen med Fresnels hypotese med at forklare Fizeaus resultater førte således til en teoretisk krise, der ikke blev løst før den særlige relativitetsteori [S 9] .
I 1892 foreslog Hendrik Lorentz en ændring af Fresnel-modellen, hvor æteren er fuldstændig stationær. Det lykkedes ham at opnå Fresnel-modstandskoefficienten som et resultat af samspillet mellem vand i bevægelse med æteren, som ikke tiltrækkes [S 10] [S 11] :25–30 . Han fandt også ud af, at overgangen fra en referenceramme til en anden kan forenkles ved at bruge en hjælpetidsvariabel, som han kaldte lokal tid [S 12] :
I 1895 forklarede Lorentz Fresnel-koefficienten mere generelt ud fra begrebet lokal tid. Imidlertid havde Lorentz' teori det samme grundlæggende problem som Fresnels: den faste æter modsige Michelson-Morley-eksperimentet . Så i 1892 foreslog Lorentz, at bevægelige kroppe trækker sig sammen i bevægelsesretningen ( Fitzgerald-Lorentz kontraktionshypotesen , da George Fitzgerald allerede var nået til denne konklusion i 1889). De ligninger, han brugte til at beskrive disse effekter, blev udviklet af ham før 1904. Disse kaldes nu Lorentz-transformationer efter ham, og er i form identiske med de ligninger, som Einstein senere udledte fra de første principper. Men i modsætning til Einsteins ligninger blev Lorentz' transformationer kun skrevet for at løse et bestemt problem, og deres eneste begrundelse var, at de så ud til at virke [S 10] [S 11] :27–30 .
Einstein viste, at Lorentz-ligningerne kan udledes som en logisk konsekvens ud fra to simple indledende postulater. Derudover erkendte Einstein, at begrebet en stationær æter ikke har nogen plads i den særlige relativitetsteori, og at Lorentz-transformationen vedrører rummets og tidens natur. Sammen med problemet med bevægelsen af en magnet og en leder , eksperimenter med negativ etherdrift og lysaberration blev Fizeaus eksperiment et af de vigtigste eksperimentelle resultater, der dannede Einsteins relativitetsbegreb [S 13] [S 14] . Robert S. Shankland rapporterede nogle samtaler med Einstein, hvor Einstein understregede vigtigheden af Fizeau-eksperimentet [S 15] :
Han fortsatte med at sige, at de eksperimentelle resultater, der påvirkede ham mest, var observationer af stjernernes aberration og Fizeaus målinger af lysets hastighed i vand i bevægelse. "De var nok," sagde han.
Originaltekst (engelsk)[ Visskjule] Han fortsatte med at sige, at de eksperimentelle resultater, der havde påvirket ham mest, var observationer af stjernernes aberration og Fizeaus målinger af lysets hastighed i vand i bevægelse. "De var nok," sagde han.Max von Laue (1907) demonstrerede, at Fresnels "modstandskoefficient" let kan forklares som en naturlig konsekvens af den relativistiske formel for at addere hastigheder [S 16] , nemlig:
Lysets hastighed i stille vand er c/n . Det følger af loven om addition af hastigheder , at lysets hastighed observeret i laboratoriet, hvor vandet strømmer med en hastighed v (i samme retning som lyset), er lig med Så hastighedsforskellen (hvis det antages, at v er lille sammenlignet med c , falder termer af højere orden) Dette er sandt, når v / c ≪ 1 , og er i overensstemmelse med formlen baseret på Fizeau-målinger, som opfylder v / c ≪ 1 .Fizeaus eksperiment stemmer således overens med det collineære tilfælde af Einsteins hastighedsadditionsformel [P 18] .
Sekundære kilder
Eksperimentel verifikation af speciel relativitetsteori | |
---|---|
Hastighed/Isotropi | |
Lorentz invarians |
|
Tidsudvidelse Lorentz kontraktion |
|
Energi |
|
Fizeau/Sagnac | |
Alternativer | |
Generel |
|