Опыт Физо

Опыт Физо́ — опыт по определению скорости света в движущихся средах (телах), осуществлённый в 1851 Луи Физо . Опыт демонстрирует эффект релятивистского сложения скоростей. С именем Физо связан также первый эксперимент по лабораторному определению скорости света.

Сложение скоростей в рамках теории Относительности

Если $c$ — скорость света в вакууме, а $n$ — показатель преломления, то скорость света в неподвижной среде равна $c'=c/n$. Если среда двигается относительно лабораторной системы отсчёта, со скоростью $u$, то скорость света будет равна: $$V = \frac {c' \pm u} {1 \pm c' u/c^2} \approx \frac {c}{n} \pm \left ( 1- \frac {1} {n^2} \right ) u,$$ где приближённое равенство записано в первом порядке по $u$. В опыте Физо в качестве среды выступала вода, текущая со скоростью $u=$7 м/c .

Первоначально, такая зависимость скорости скорость света V от скорости среды и коэффициента преломления интерпретировалась в рамках классического сложения скоростей. В этом случае результат эксперимента можно объяснить, если считать, что свет частично увлекается средой $~V = c' \pm \alpha u$, где $~\alpha=1 - 1 / n^2$ — коэффициент увлечения, а знаки «+» и «-» соответствуют одинаковым и противоположным направлениям распространения света и движения среды. Подобное частичное увлечение было получено в 1818 г.Френелем и в дальнейшем возникало в электронной теории Xенрика Лоренца.

В рамках теории относительности нет необходимости в гипотезе частичного увлечения. Фактически свет полностью «увлекается» средой, а результат опыта Физо свидетельствует о неклассическом (релятивистском) сложении скоростей. Таким образом, опыт сыграл важную роль при построении электродинамики движущихся сред и явился одним из экспериментальных обоснований теории относительности Эйнштейна.

Интерпретация в рамках класической физики

Опыт Физо может быть объяснен если принять во внимание, что свет в оптической среде распространяется между ретрансляторами (атомами). На переизлучение (ретранслирование) уходит некоторое время, в то же время среднее количество переизлучений определяется коэффициентом преломления среды. Если оптическая среда покоиться то средняя скорость распространения света v=c/n, где с-скорость света в ваккуме, n-коэфициент преломления. Если оптическая среда движется в направлении распрастранения луча света, то среднее растояние между ретрансляторами (атомами) изменится пропорционально скорости. Таким образом движение среды приводит к мнимому изменению средней скорости распрастранения света в оптической среде.

Схема опыта

Схема опыта Физо

Луч от источника разделяется полупрозрачной пластинкой на два луча, один из которых, отражаясь от зеркал, проходит через текущую в трубах воду по направлению её движения, а другой — против её движения. После этого оба луча попадают в интерферометр, где и наблюдается интерференционная картина. Измерения производились сначала при неподвижной воде, а затем — при движущейся. По смещению интерференционных полос определялась разность времён прохождения лучей в движущейся и неподвижной среде, а следовательно, и величина $~\alpha$.

Интерпретация опыта в теории Лоренца

Согласно электронной теории Лоренца, эффект увлечения света движущейся средой обусловлен следующим: индуцированные проходящей волной диполи среды дают вторичное излучение, которое при движении среды увлекается вместе с диполями. Значение ее при этом должно определяться отношением поляризационного тока $~\partial P / \partial t = [(\varepsilon- 1)/4\pi] \times \partial E/ \partial t$ к току смещения $~\partial D/ \partial t = \varepsilon \partial E / \partial t$ (здесь Р, Е, D — векторы поляризации, напряжённости электрического поля, электрической индукции, $\varepsilon$ — диэлектрическая проницаемость среды): $$\alpha = \frac {\partial P / \partial t} { \partial D / \partial t } \approx \frac {\varepsilon - 1} { \varepsilon } = 1 - \frac { 1 } { n^2 }$$ Теория Лоренца частичного увлечения света водой имеет только историческое значение. Для последовательного описания опыта Физо необходима специальная теория относительности.

Ссылки

• Физическая энциклопедия, т.5 — М.:Большая Российская Энциклопедия стр.322
• Опыт Физо в БСЭ

См. также

Физо, Арман Ипполит Луи