Скорость света в движущихся средах

Как известно, законы механики одинаково формулируются для всех инерциальных систем. Наблюдение механических процессов не дает возможность выделить абсолютную систему отсчета из бесконечной совокупности инерциальных систем (принцип относительности классической механики). Преобразования Галилея, лежащие в основе классической механики, считались вполне очевидными и применительно к электродинамике (оптике). Поэтому их без критики использовали и при построении электродинамики движущихся сред. При этом электромагнитные и оптические процессы рассматривались как протекающие в заполняющем все пространство мировом эфире. Различие в теориях состояло в том, как решался вопрос о влиянии движения тел на эфир. Крайние выражения различных точек зрения на этот вопрос представлены в электродинамике Герца (теория полностью увлекаемого эфира) и электродинамике Лоренца (теория неподвижного эфира).

По Герцу, эфир полностью увлекается материальными телами при их движении. Благодаря этому оптические явления в движущихся средах происходят так же, как и в покоящихся. Поэтому оптические эксперименты, производимые внутри сред, не позволяют установить, движется эта среда или не движется (т. е. выполняется механический принцип относительности).

В 1850 г. Физо осуществил опыт, который должен был ответить на вопрос, увлекается ли эфир движущейся средой или нет. Это опыт по интерференции двух когерентных лучей, которые проходят через сосуды с движущейся в них водой, причем для одного луча это движение совпадает с его направлением, а для другого — противонаправлено. Схема опыта изображена на рис. 7.7.

Рис. 7.7.

В рамках гипотезы Герца скорость света в одном направлении будет с с

— + v, а в другом—-v, где v — скорость потока воды; п — показатель.

п п

преломления воды. Отсюда разность времени распространения лучей 1 и 2 равна.

и, соответственно, разность хода между интерферирующими лучами равна (в единицах длин волн):

(при I = 1,5 м; v = 7 м/с; п = 1,33; X = 0,6 мкм).

Физо действительно наблюдал смещение интерференционных полос, однако оно было примерно в два раза меньше, чем следует из теории полностью увлекаемого эфира Герца. Эксперимент, таким образом, свидетельствовал о как бы частичном увлечении эфира движущейся средой.

Френель выдвинул теорию, согласно которой эфир не увлекается движущейся средой, а проходит через нее, изменяя свою плотность. В результате этого масса эфира в среде перемещается со скоростью.

Vj = v —, меньшей, чем в вакууме. Следовательно, по теории Френеля, п

хотя эфир не увлекается при движении среды, однако его скорость относительно среды изменяется, но не в полной мере (как у Герца), а частично. Изменение скорости света в движущейся среде будет, по Френелю,.

в зависимости от направления движения среды и света.

Коэффициент к = 1—^~ получил название коэффициента увлечения п²

(k = 1 — полное увлечение эфира, к < 1 — частичное). Из опыта Физо было установлено, что к = 0,436. Это прекрасно согласуется с моделью Френеля: к = 1 —7 = 0,438. п²

Если отвлечься от механистической сути модели света по Френелю, то надо признать, что им было получено правило сложения скоростей, существенно отличающееся от классического и приближающееся к релятивистскому.

На позиции неподвижного абсолютного эфира стоял также Лоренц, который разработал электродинамику движущихся сред. В случае оптических явлений она совпадает с теорией Френеля и также приводит к представлению о частичном увлечении световых волн. По Лоренцу, движение тел сквозь неподвижный эфир должно сопровождаться «эфирным ветром», влияние которого можно попытаться обнаружить на опыте, если его погрешность не превышает ~10⁸ (т. е. позволяет учитывать величины порядка р² = у² / с²).

Реальным опытом, выполненным с такой точностью, является интерференционный опыт Майкельсона — Морли (1887 г.) (рис. 7.8). Интерферометр Майкельсона располагался таким образом, чтобы одно его плечо совпадало с направлением движения Земли, а другое было к нему перпендикулярно. При повороте прибора на 90° следует ожидать изменения интерференционной картины, по которой и можно судить о скорости «эфирного ветра».

Рис. 7.8.

Действительно, в рамках теории Лоренца время на прохождение пути МВ и обратно будет равно.

(/ — длина плеча интерферометра, v — скорость Земли).

В перпендикулярном направлении, с учетом движения прибора, время прохождения от М до А' и обратно к М' (рис. 7.9) определяется из формулы t₂ = 2 Т, где (Т с)² =l² +(Т v)², Т = .—.

2 if 1 «l _OI (_л 1_Q^ Vc²-v²

t₂=—. ~2l- 1H—Э² .

^c vVlv² / с² J V 2 J.

Рис. 7.9.

При повороте интерферометра на 90 появится разность хода

Этот предполагаемый эффект значительно превышает чувствительность интерферометра. Однако на опыте он не был обнаружен.