Опыт Физо

Прежде всего, возник вопрос о справедливости правила сложения скоростей при световых явлениях. Для его решения необходимо было провести эксперимент по сложению скорости движения среды (например, воды) со скоростью распространения света в этой среде. Но как провести такой эксперимент? Трудности его проведения заключались в том, что скорость света в воде U = с/n = 225 000 км/с, где с - скорость света в вакууме, с = 300 000 км/с; n - показатель преломления воды, n = 1,33. Скорость воды можно было бы сделать примерно 10 м/с, что в десятки миллионов раз меньше скорости света. Поэтому такой эксперимент долго не удавалось осуществить.

Но оказалось, что указанное небольшое изменение скорости света можно измерить, если использовать явление интерференции. Интерференция - это сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы: волн на поверхности жидкости; упругих (например, звуковых); электромагнитных (например, радиоволн или световых). Причем интерферируют только когерентные волны, то есть волны, имеющие постоянную разность фаз во времени (70, с. 290), Такими когерентными волнами-лучами являются, например, лучи, исходящие из одной точки источника света. Если два луча от одной точки источника света пустить по разным направлениям, а затем привести в одну точку, то в этой точке будет происходить интерференция света; если разность хода лучей, измеренная в количестве совершенных полуволн, составит четное число, то происходит сложение энергий этих лучей, и точка будет наиболее светлой; если же разность хода составит нечетное число полуволн, то энергии лучей вычитаются, и точка будет наиболее темной.

Таким образом, в зависимости от разности хода лучей освещенность в точке их встречи будет меняться. Зная длину волны света (от 0,4 микрона до 0,7), можно рассчитать, какую величину изменения скорости света можно измерить. Расчеты показали, что можно сделать установку, позволяющую определить изменение скорости света на одну стомиллионную долю, что даже лучше, чем требуется.

Такую установку впервые изготовил, а затем осуществил на ней уникальный опыт в 1851 году известный французский физик А. И. Физо.

В установке Физо луч от источника света с помощью полупрозрачной пластины разделялся на два луча, один из которых, отражаясь от зеркала, проходил через текущую воду по направлению ее движения, а второй - против движения. Скорость движения воды изменялась от 0 до 7 м/с. Оба луча направлялись далее в интерферометр, где наблюдалась интерференционная картина. По смещению интерференционных полос определялась разность времени прохождения лучей света в движущейся воде (по течению и против течения, 18, с, 818).

Результаты опыта оказались неожиданными: сложение скорости света в воде со скоростью движения воды не соответствовало требованию классической физики:

W = V + U.

Опыт показал, что сложение скоростей происходит по соотношению

W= U + V(1 -1/n),

где n - показатель преломления воды; n = 1,33.

Многократно проверенный опыт давал все время один и тот же результат. Он показывал, что скорость света не подчиняется правилу сложения скоростей. Напрашивался вывод, что классическая физика при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, неверна.

Чтобы спасти классическую физику, ученые приняли гипотезу о движении света в эфире, находящемся между частицами воды и воздуха. Если предположить, что эфир не увлекается частицами вещества при их движении или увлекается частично в зависимости от величины показателя преломления, то становится понятным объяснение опыта Физо с позиций классической физики: скорость движения частиц вещества не передается полностью находящемуся между частицами эфиру и поэтому не складывается со скоростью света в эфире в соответствии с правилом сложения скоростей, и для среды с показателем преломления, близким к единице, эфир остается неподвижным.

Таким образом была принята гипотеза существования неподвижного мирового эфира, согласно которой все тела Вселенной движутся в неподвижном мировом эфире. Такая гипотеза объясняла опыт Физо и спасала классическую физику.

Забегая вперед, укажем допущенную этой гипотезой роковую ошибку. Опыт Физо, проводившийся на Земле, свидетельствует о том, что движущееся на Земле вещество не увлекает околоземной эфир. Достаточно было предположить, что только околоземный эфир неподвижен относительно Земли, а не выдвигать гипотезу о неподвижности всего мирового эфира.

Но поскольку гипотеза была принята, перед учеными возник вопрос о ее экспериментальном подтверждении, Известно, что Земля в своем движении вокруг Солнца имеет скорость V = 30 км/с- Поэтому, если поставить опыт по обнаружению этой скорости движения Земли в мировом неподвижном эфире, то тем самым можно будет подтвердить справедливость гипотезы. Технически такой опыт осуществить трудно, и лишь спустя 30 лет после опыта Физо, то есть в 1881 году, впервые этот уникальный опыт был осуществлен американским ученым А. Майкельсоном.