Скорость света и эфир

Определения скорости света, как выяснилось в дальнейшем развитии физики, сами по себе представляют огромный интерес ввиду важного значения этой физической константы. И хотя мы сейчас не склонны считать опыт Фуко решающим, ввиду того что, как было выяснено Релеем и дополнено затем Эренфестом, во всех прямых измерениях скорости света речь идёт о так называемой групповой скорости, в то время как в законе Снеллиуса-Декарта речь идёт о фазовой скорости, тем не менее историческая ценность этого опыта неоспорима.

Дело в том, что этот опыт, будучи в глазах современников решающим аргументом в пользу теории Гюйгенса - Френеля, вызвал постановку вопроса об отношении эфира к движению тел. И здесь мы прежде всего встречаемся с аберрацией света. Мы видели, что это явление допускает естественное и непринуждённое истолкование с точки зрения корпускулярной теории. Но как объяснить его с точки зрения волновой теории?

В корпускулярной теории основа расчёта - суперпозиция скоростей света и Земли, т. е. независимость скорости света от движения наблюдателя. Для волной теории это допущение означает, что распространение света в эфире не зависит от движения находящихся в нём тел, и, как полагал Челли, явление аберрации как раз и доказывает неподвижность эфира и движение земли. В противоположность этому Стокс (1846), основываясь на аналогии с гидродинамикой, выдвинул утверждение, что эфир, прилегающий к Земле, полностью увлекается вместе с ней, что последующие слои движутся всё медленнее и медленнее, и это обстоятельство вызывает искривление волнового фронта, что и воспринимается как аберрация. Таким образом, как сформулировал положение вещей Физо, может быть сделан выбор между тремя равновероятными гипотезами:

1. эфир движется вместе с частицами тел (гипотеза полного увлечения эфира),
2. эфир совершенно неподвижен и не увлекается частицами движущихся тел и
3. эфир увлекается частично.

Рис. 242. Опыт Физо

Как известно, в 1818 г. Френель высказался в пользу третьей гипотезы и дал выражение для коэффициента увлечения K = 1 - ¹/_n²Физо решил поставить соответствующий эксперимент (1851). Трубка ABB'А' разделена перегородкой на две части, оставляя сообщение между обеими половинами, так что по обе стороны от перегородки вода циркулирует под сильным давлением в противоположных направлениях. Пучок света, идущий от S (рис. 242), разделяется диафрагмой ОО'на две части, из которых одна идёт по одной стороне от перегородки, другая - по противоположной. Оба пучка потом соединяются пластинами RR' в М', и здесь наблюдается интерференционная картина сначала при покоящейся воде. Затем вода приводится в движение, и тогда один пучок (если верна теория частичного увлечения) идёт всё время по направлению движения воды и, следовательно, имеет скорость с₁ = c + kv, другой - против и имеет скорость с₂ = с - kv. В результате должно наблюдаться смещение интерференционных полос, позволяющее вычислить k. Это действительно и наблюдалось в опыте Физо (v = 7 ^м/_сек, и k оказался равным 1 - ¹/_n² , т. е. коэффициенту Френеля.

Гипотеза Френеля подтвердилась и опытом с аберрацией. Так как аберрационный угол определяется соотношением между скоростью света и скоростью Земли, то можно думать, что, заполняя трубу средой с показателем преломления n (например водой), мы увеличим этот угол в n раз. В действительности опыты Эри показали, что угол аберрации не зависит от показателя преломления. Этот результат можно истолковать, как подтверждение теории Френеля.

Таким образом, опыты по измерению скорости света, проведённые в рассматриваемый нами период, как казалось, полностью подтвердили волновую теорию света Гюйгенса - Френеля и в частности подтвердили гипотезу Френеля о частичном увлечении эфира движущимися телами.

В тесной связи с вопросом о роли движения наблюдателя, а также и источника по отношению к наблюдателю находится принцип Допплера (1803-1853). Найденный им принцип был изложен в мемуаре "Об окрашенном свете двойных звёзд", вышедшем в Праге в 1842 г. Допплер при выводе своего принципа руководился акустической аналогией. Скорость звука определяется упругостью и плотностью той среды, в которой распространяются звуковые волны, и, следовательно, не зависит от состояния источника.

"Волны покидают источник, не вспоминая о нём" (Зоммерфельд). Но в таком случае расчёт, проведённый Допплером, показывает, что наблюдатель будет воспринимать частоту колебаний,посылаемых источником, изменённой, причём это изменение будет различным, смотря по тому, движется ли источник к наблюдателю, или, наоборот, наблюдатель к источнику.

Допплер распространил свою теорию и на световые волны" и полагал, что окраска двойных звёзд, наблюдаемая астрономами, обязана своим происхождением их движению, в действительности же звёзды белые. Эта гипотеза Допплера встретила основательные возражения, хотя в акустике эффект Допплера был проверен экспериментально. Только открытие спек-трального анализа дало возможность экспериментальной проверки эффекта в оптике, а вместе с тем и основу для решения важного вопроса - применим ли он в оптике полностью со всеми следствиями, как и в акустике. Но решение этих вопросов относится уже к XX веку.