Hippolyte Fizeau suoritti Fizeaun kokeen vuonna 1851 mitatakseen valon suhteellisen nopeuden liikkuvassa vedessä. Fizeau käytti erityistä interferometriä mittaamaan väliaineen liikkeen vaikutusta valonnopeuteen.
Tuolloin vallinneen teorian mukaan liikkuvan väliaineen läpi kulkevaa valoa vetäisi tämä väliaine mukanaan siten, että mitattu valon nopeus olisi sen väliaineen sisällä olevan nopeuden ja väliaineen nopeuden yksinkertainen summa. Fizeau löysi vetovaikutuksen, mutta havaittu vaikutuksen koko oli paljon odotettua pienempi. Kun hän toisti kokeen ilmalla veden sijaan, hän ei huomannut vaikutusta. Hänen tulokset näyttivät vahvistavan Fresnelin hypoteesin eetterin osittaisesta vetämisestä väliaineen toimesta , mikä hämmentyi useimmat fyysikot. Kului yli puoli vuosisataa ennen kuin Fizeaun odottamattomalle tulokselle löytyi tyydyttävä selitys Albert Einsteinin erityisellä suhteellisuusteorialla . Myöhemmin Einstein korosti kokeen tärkeyttä erityiselle suhteellisuusteorialle, jossa hän osoittaa relativistisen kaavan nopeuksien lisäämiseksi pienten nopeuksien rajalla.
Vaikka yhtä tiettyä koetta kutsutaan Fizeau-kokeeksi, se ei ollut ainoa tämän fyysikon suorittama koe, koska hän oli aktiivinen kokeilija, joka suoritti laajan valikoiman erilaisia valonnopeuden mittaamiseen liittyviä kokeita tilanteita.
Hyvin yksinkertaistettu esitys Fizeaun vuoden 1851 kokeesta on esitetty kuvassa 2. Tuleva valo jaetaan kahdeksi säteeksi säteenjakajalla (BS) ja johdetaan kahden vesiputken läpi, joissa vesi virtaa vastakkaisiin suuntiin. Nämä kaksi sädettä yhdistetään sitten uudelleen muodostamaan interferenssikuvio, jonka havainnoitsija voi tulkita [S 1] . Yksinkertaistettu malli, joka on kuvassa 2 esitetty kaksihaarainen interferometri , vaatisi monokromaattisen valon käyttöä , mikä tuottaisi vain himmeitä hapsuja. Valkoisen valon pienestä koherenssipituudesta johtuen optista polkua tarvittaisiin epäkäytännölliseen tarkkuuteen, ja laite olisi erittäin herkkä tärinälle, mekaanisille siirtymille ja lämpötilavaikutuksille [P 1] .
Toisaalta kuvioissa 3 ja 4 esitetty varsinainen Fizeau-laite konfiguroitiin yhteisreitin interferometriksi . Näin varmistettiin, että vastakkaiset säteet kulkevat vastaavia polkuja, jolloin hapsut muodostuvat helposti myös aurinkoa käytettäessä valonlähteenä:
Valon kaksinkertainen läpikulku tehtiin liikkuvassa väliaineessa kuljetun matkan lisäämiseksi ja lisäksi täysin kompensoimaan mahdolliset vahingossa tapahtuvat lämpötila- tai paineerot kahden putken välillä, mikä saattaa aiheuttaa hapsujen siirtymistä, mikä voisi sekoittua liikkeeseen, joka voi aiheuttaa yhden liikkeen ja siten tehdä sen havainnosta epämääräiseksi [P 2] [P 3] .
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Valon kaksoisläpiviennin tarkoituksena oli lisätä liikkeessä olevassa väliaineessa kulkemaa etäisyyttä ja lisäksi kompensoida täysin mahdollinen vahingossa tapahtuva lämpötila- tai paineero näiden kahden putken välillä, mikä saattaisi johtaa hapsujen siirtymiseen, mikä sekoittumaan siirtymään, jonka liike yksin olisi aiheuttanut; ja ovat siten tehneet sen havainnoinnin epävarmaksi.Lähteestä S′ tuleva valonsäde heijastuu säteenjakajalla G ja kollimoituu linssillä L rinnakkaiseksi säteeksi . Kulkiessaan rakojen O 1 ja O 2 läpi kaksi valonsädettä menevät putkiin A 1 ja A 2 , joiden läpi vesi virtaa vastakkaisiin suuntiin, kuten nuolet osoittavat. Säteet heijastuvat peilistä m linssin L' polttopisteessä siten, että yksi säde etenee aina samaan suuntaan kuin veden virtaus ja toinen säde veden virtauksen vastakkaiseen suuntaan. Kulkiessaan edestakaisin putkien läpi, molemmat säteet yhdistyvät pisteessä S , missä ne muodostavat interferenssihaaroja, jotka näkyvät okulaarin läpi. Häiriökuviota voidaan analysoida putken kunkin osan läpi liikkuvan valon nopeuden määrittämiseksi [P 2] [P 4] [S 2] .
Oletetaan, että vesi virtaa putkien läpi nopeudella v . Valopitoisen eetterin ei-relativistisen teorian mukaan valon nopeuden pitäisi kasvaa, kun vesi "saa mukanaan", ja laskea, kun se "voittaa" veden vastuksen. Valosäteen kokonaisnopeuden tulee olla sen nopeuden vedessä ja veden nopeuden yksinkertainen summa. Eli jos n on veden taitekerroin , niin että c/n on valon nopeus tyynessä vedessä, niin yhden käden valon ennustettu nopeus w on
ja ennustettu nopeus toisessa kädessä on
Siksi veden virtausta vastaan liikkuvan valon tulee olla hitaampaa kuin veden virtauksen suuntaan liikkuvan valon. Kahden säteen välinen interferenssikuvio , kun valo kerätään tarkkailijan luo, riippuu näiden kahden reitin kulkuajasta ja sitä voidaan käyttää laskemaan valon nopeus veden nopeuden funktiona [S 3] .
Fizeau huomasi sen
Toisin sanoen vesi vaikutti ottavan valon mukaan, mutta mukana oli paljon odotettua vähemmän.
Fizeaun koe sai fyysikot tunnistamaan Augustin Jean Fresnelin (1818) vanhan, teoreettisesti epätyydyttävän teorian empiirisen pätevyyden , jota käytettiin selittämään Aragon vuonna 1810 tekemää koetta , nimittäin sen, että kiinteässä eetterissä liikkuva väliaine kuljettaa mukanaan valoa. etenee sen läpi vain osittain väliaineen nopeudella, ja mukana kulkeutumiskertoimen f määrää
Hendrik Lorentz ennusti vuonna 1895 ylimääräisen termin olemassaolon hajoamisen vuoksi [S 4] :15–20 :
Koska väliaine virtaa kohti havainnoijaa tai poispäin siitä, väliaineen läpi kulkevaan valoon kohdistuu Doppler-siirtymä ja kaavassa käytetyn taitekertoimen tulee vastata Doppler-siirrettyä aallonpituutta [P 5] . Zeeman vahvisti Lorentzin dispersiotermin olemassaolon vuonna 1915 [P 6] .
Myöhemmin todettiin, että Fresnel-vastuskerroin on yhdenmukainen nopeuksien yhteenlaskettavan relativistisen kaavan kanssa, katso kohta Johtaminen erikoissuhteellisuusteoriassa .
Albert A. Michelson ja Edward W. Morley (1886) [P 7] toistivat Fizeaun kokeen parantuneella tarkkuudella ja ratkaisivat useita Fizeaun alkuperäisen kokeen ongelmia:
Michelson päivitti Fizeaun laitteistoa suuremmilla putkilla ja suuremmalla säiliöllä, joka tarjosi jatkuvan veden virtauksen kolmen minuutin ajan. Hänen yleinen polkuinterferometrisuunnittelunsa tarjosi automaattisen polun pituuden kompensoinnin, jotta valkoiset valojuovat näkyivät heti, kun optiset elementit kohdistettiin. Topologisesti valopolku oli Sagnacin interferometrin polku, jossa jokaisessa valopolussa oli parillinen määrä heijastuksia [S 5] . Tämä antoi erittäin vakaat nauhat, jotka ensinnäkin olivat täysin epäherkkiä optisten komponenttien liikkeelle. Vakaus oli sellainen, että hän pystyi työntämään lasilevyn ( h kuvassa 5) tai jopa pitämään sytytettyä tulitikkua valon reitillä siirtämättä raitajärjestelmän keskustaa. Tällä instrumentilla Michelson ja Morley pystyivät täysin vahvistamaan Fizeaun tulokset paitsi vedessä myös ilmassa [P 7] .
Muita kokeita suoritti Peter Zeeman vuosina 1914-1915. Käyttämällä Michelson-laitteen suurennettua versiota, joka on kytketty suoraan Amsterdamin päävesijohtoon, Zeeman pystyi suorittamaan laajennettuja mittauksia käyttämällä monokromaattista valoa, joka vaihteli violetista (4358 Å) punaiseen (6870 Å) vahvistaakseen muunnetun Lorentz-kertoimen [P 8] [ P 6] . Vuonna 1910 Franz Harress käytti pyörivää laitetta ja vahvisti yleisesti Fresnel-vastuskertoimen. Hän kuitenkin löysi tiedoista lisäksi "systeemisen virheen", joka myöhemmin osoittautui Sagnac-ilmiöksi [S 6] .
Sen jälkeen on tehty monia kokeita tällaisten vastuskertoimien mittaamiseksi erilaisissa materiaaleissa, joilla on erilaiset taitekertoimet, usein yhdessä Sagnac-ilmiön kanssa [S 7] - esimerkiksi kokeissa, joissa on käytetty rengaslasereita yhdessä pyörivien levyjen kanssa [ P 9] [P 10] [P 11] [P 12] tai neutroniinterferometrisissa kokeissa [P 13] [P 14] [P 15] . Havaittiin myös poikittaisvastusvaikutus, eli kun väliaine liikkuu suorassa kulmassa tulevan valon suuntaan [P 5] [P 16] .
Fresnel-vastuskertoimen epäsuoran vahvistuksen antoi Martin Hook vuonna 1868 [P 17] [S 8] . Hänen kokoonpanonsa oli samanlainen kuin Fizeaun, vaikka hänen versiossaan vain yksi interferometrin varsi sisälsi pysähtyneen veden täyttämän alueen, kun taas toinen käsi oli ilmassa. Eetterissä lepäävän tarkkailijan näkökulmasta maa ja siten vesi ovat liikkeessä. Näin ollen Hook laski seuraavat matka-ajat kahdelle vastakkaisiin suuntiin liikkuvalle valonsäteelle (ottamatta huomioon poikittaissuuntaa, kuten kuvassa 6):
|
Siirtoajat eivät täsmää, minkä pitäisi johtaa häiriöihin. Kuitenkin, jos Fresnel-vastuskerrointa sovelletaan veteen eteerisessä viitekehyksessä, ero siirtoajassa (ensimmäiseen v/c :een asti ) katoaa. Käyttämällä erilaisia asetuksia, Hook sai itse asiassa nollatuloksen, mikä vahvisti Fresnel-vastuskertoimen. (Katso samankaltainen koe, joka kumoaa mahdollisuuden suojata eteeristä tuulta, katso Hammarin kokeilu .)
Kuvassa esitetyssä kokeen tietyssä versiossa Hooke käytti prismaa P jakaakseen valon raosta spektriksi, joka kulki kollimaattorin C läpi ennen instrumenttiin pääsyä. Kun laite oli suunnattu samansuuntaisesti hypoteettisen eetterituulen kanssa, Hooke odotti, että valo yhdessä piirissä viivästyisi 7/600 mm suhteessa toiseen. Kun tämä hidastuminen oli kokonaisluku aallonpituuksia, hän odotti näkevänsä rakentavia häiriöitä; jossa tämä hidastuvuus on puolikokonaisluku aallonpituuksia, tuhoava häiriö. Koska mukana ei ollut mukana, hän odotti, että havaittu spektri olisi jatkuva, jos instrumentti oli suunnattu eteerisen tuulen poikki, ja se yhdistettäisiin instrumenttiin, joka on suunnattu yhdensuuntaisesti eteerisen tuulen kanssa. Hänen todelliset koetuloksensa olivat täysin negatiivisia [P 17] [S 8] .
Vaikka Fresnelin hypoteesi osittaisesta eetterin vastusta osoittautui empiirisesti onnistuneeksi selittämään Fizeaun kokeen tuloksia, monet alan johtavat asiantuntijat, mukaan lukien Fizeau itse (1851), Elever Mascara (1872), Kettler (1873), Veltmann (1873). ) ja Lorenz (1886), kyseenalaistettiin voimakkaasti. Fresnelin hypoteesilla on horjuva teoreettinen perusta. Esimerkiksi Veltmann (1870) osoitti, että Fresnelin kaava tarkoittaa, että eetteriä täytyy vetää eri määrin eri valon aallonpituuksilla, koska taitekerroin riippuu aallonpituudesta; Muscart (1872) osoitti samanlaisen tuloksen kahtaistaittavan väliaineen läpi kulkevalle polarisoidulle valolle. Toisin sanoen eetterin tulee pystyä tukemaan eri liikkeitä samanaikaisesti [S 9] .
Fizeaun tyytymättömyys oman kokemuksensa tulokseen näkyy helposti hänen artikkelinsa johtopäätöksessä:
Minusta näyttää siltä, että kokeen onnistuminen edellyttää Fresnelin hypoteesin tai ainakin hänen löytämänsä lain hyväksymistä valonnopeuden muutoksen ilmaisemiseksi kappaleen liikkeen vaikutuksesta; sillä vaikka tämän lain tunnustaminen todeksi voi olla erittäin vahva todiste hypoteesin puolesta, josta se on seurausta, ehkä Fresnelin käsitys saattaa tuntua niin omituiselta ja joissain suhteissa niin vaikealta, että myönnetään, että muut todisteet ja syvällinen tutkimus ulkopuolta vaaditaan edelleen.geometrit ennen kuin hyväksyt sen tapauksen todellisten tosiasioiden ilmaisuksi [P 2] .
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Kokeen onnistuminen näyttää minusta tekevän Fresnelin hypoteesin omaksumisen tarpeelliseksi tai ainakin sen lain, jonka hän löysi valonnopeuden muutoksen ilmaisulle kappaleen liikkeen vaikutuksesta; sillä vaikka tuon lain toteaminen saattaa olla erittäin vahva todiste hypoteesin puolesta, josta se on vain seuraus, ehkä Fresnelin käsitys saattaa vaikuttaa niin omituiselta ja joissain suhteissa niin vaikealta myöntää, että muut todisteet ja Geometriakkojen perusteellinen tarkastelu on edelleen tarpeen, ennen kuin ne hyväksyvät sen tapauksen todellisten tosiasioiden ilmaisuksi.Huolimatta useimpien fyysikkojen tyytymättömyydestä Fresnelin hypoteesiin osittaisesta eetterivastusta, hänen kokeensa toistot ja parannukset muiden tutkijoiden toimesta (katso yllä olevat kohdat ) vahvistivat hänen tulokset suurella tarkkuudella.
Eetterin osittaisen vastushypoteesin ongelmien lisäksi Michelson-Morley-kokeessa (1887) nousi toinen vakava ongelma. Fresnelin teoriassa eetteri on lähes liikkumaton, joten kokeen olisi pitänyt antaa positiivinen tulos. Tämän kokeen tulos oli kuitenkin negatiivinen. Siten silloisten eetterimallien näkökulmasta kokeellinen tilanne oli ristiriitainen: toisaalta valon aberraatio , Fizeau-koe ja Michelsonin ja Morleyn vuonna 1886 tekemän kokeen toistaminen näyttivät vahvistavan osittainen kiehtoo eetteriä. Toisaalta vuoden 1887 Michelson-Morley-koe näytti todistavan, että eetteri oli levossa suhteessa Maahan, mikä ilmeisesti tukee ajatusta täydellisestä eetterin vastusta (katso Aether Drag Hypothesis ) [S 10 ] . Siten Fresnelin hypoteesin onnistuminen Fizeaun tulosten selittämisessä johti teoreettiseen kriisiin, joka ratkesi vasta erikoissuhteellisuusteorian tultua [S 9] .
Hendrik Lorentz ehdotti vuonna 1892 Fresnel-mallin muunnelmaa, jossa eetteri on täysin paikallaan. Hän onnistui saamaan Fresnel-vastuskertoimen liikkuvan veden ja eetterin vuorovaikutuksesta, jota ei houkuttele [S 10] [S 11] :25–30 . Hän havaitsi myös, että siirtymistä viitekehyksestä toiseen voidaan yksinkertaistaa käyttämällä apuaikamuuttujaa, jota hän kutsui paikalliseksi [S 12] :
Vuonna 1895 Lorentz selitti Fresnel-kertoimen yleisemmin paikallisen ajan käsitteellä. Lorentzin teorialla oli kuitenkin sama perusongelma kuin Fresnelin: kiinteä eetteri oli ristiriidassa Michelson-Morley-kokeen kanssa . Joten vuonna 1892 Lorentz ehdotti, että liikkuvat kappaleet supistuisivat liikkeen suunnassa ( Fitzgerald-Lorentzin supistumishypoteesi , koska George Fitzgerald oli jo tullut tähän johtopäätökseen vuonna 1889). Yhtälöt, joita hän käytti kuvaamaan näitä vaikutuksia, kehitti hän ennen vuotta 1904. Näitä kutsutaan nyt hänen jälkeensä Lorentzin muunnoksiksi , ja ne ovat muodoltaan identtisiä yhtälöiden kanssa, jotka Einstein myöhemmin johdatti ensimmäisistä periaatteista. Toisin kuin Einsteinin yhtälöt, Lorentzin muunnokset kirjoitettiin vain tietyn ongelman ratkaisemiseksi, ja niiden ainoa perustelu oli, että ne näyttivät toimivan [S 10] [S 11] :27–30 .
Einstein osoitti, että Lorentzin yhtälöt voidaan päätellä loogisena seurauksena kahdesta yksinkertaisesta alkupostulaatista. Lisäksi Einstein ymmärsi, että stationaarisen eetterin käsitteellä ei ole sijaa erityisessä suhteellisuusteoriassa ja että Lorentzin muunnos koskee tilan ja ajan luonnetta. Yhdessä magneetin ja johtimen liikkeen ongelman , negatiivisen eetterin ajautumisen ja valopoikkeaman kokeiden kanssa Fizeaun kokeesta tuli yksi tärkeimmistä kokeellisista tuloksista, jotka muodostivat Einsteinin suhteellisuuskäsityksen [S 13] [S 14] . Robert S. Shankland raportoi joistakin keskusteluista Einsteinin kanssa, joissa Einstein korosti Fizeau-kokeen tärkeyttä [S 15] :
Hän jatkoi, että kokeelliset tulokset, jotka vaikuttivat häneen eniten, olivat tähtien poikkeamat ja Fizeaun mittaukset valonnopeudesta liikkuvassa vedessä. "Ne riittivät", hän sanoi.
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Hän jatkoi, että kokeelliset tulokset, jotka olivat vaikuttaneet häneen eniten, olivat tähtien poikkeaman havainnot ja Fizeaun mittaukset valonnopeudesta liikkuvassa vedessä. "Ne riittivät", hän sanoi.Max von Laue (1907) osoitti, että Fresnelin "vastuskerroin" voidaan helposti selittää luonnollisena seurauksena relativistisesta nopeuksien lisäämiskaavasta [S 16] , nimittäin:
Valon nopeus seisovassa vedessä on c/n . Nopeuksien summauslaista seuraa , että laboratoriossa havaittu valon nopeus, jossa vesi virtaa nopeudella v (samaan suuntaan kuin valo), on yhtä suuri kuin Joten nopeusero (olettaen , että v on pieni verrattuna c :hen , korkeamman asteen termit jätetään pois) Tämä on totta, kun v / c ≪ 1 , ja se on yhdenmukainen Fizeau-mittauksiin perustuvan kaavan kanssa, joka täyttää v / c ≪ 1 .Siten Fizeaun koe on yhtäpitävä Einsteinin nopeuden lisäyskaavan kollineaarisen tapauksen kanssa [P 18] .
Toissijaiset lähteet
Erikoissuhteellisuusteorian kokeellinen verifiointi | |
---|---|
Nopeus/isotropia | |
Lorentzin invarianssi |
|
Aikalaajennus Lorentzin supistuminen |
|
Energiaa |
|
Fizeau/Sagnac | |
Vaihtoehtoja | |
Kenraali |
|