Спираючись на досвід класичної фізики, дослідники сподівалися знайти ту єдину інерціальну систему, в якій швидкість даного світлового сигналу дорівнювала б с, тоді як в усіх інших інерціальних системах вона мала б відрізнятися від с. У попередньому параграфі ми припустили, що такою системою має бути система відліку, пов'язана з джерелом світла. У цьому разі ми сподівалися, що швидкість світла залежатиме від швидкості руху джерела. Проте спостереження за подвійними зорями не підтвердили цього припущення. Може, такою системою відліку є середовище, в якому поширюється світло?
У різних матеріальних середовищах світло поширюється зі швидкістю, меншою за c. Наприклад, у воді швидкість світла дорівнює 225 тис. км/с, у склі — 200 тис. км/с і т. д. Число, яке показує, у скільки разів швидкість світла в даному середовищі менша за швидкість світла в порожнечі, називається показником заломлення цього середовища й позначається літерою n. Так, у води показник заломлення n = 4/3, у скла n = 3/2 і т. д. Показник заломлення для порожнечі слід прийняти рівним одиниці; показник заломлення повітря практично такий самий (точніше 1,00029). Це означає, що в порожнечі й у повітрі світло практично поширюється зі швидкістю с.
Якщо системою відліку, в якій вимірюється швидкість світла, править середовище, то, звісно, годі сподіватися, що в результаті вимірювань ми отримаємо швидкість світла, яка дорівнює с. Природно очікувати, що вона вийде в n разів меншою, тобто швидкість поширення світла в середовищі с′ = c/n. За допомогою такого припущення фізики сподівалися вийти зі скрутного становища. Слід зауважити, що саме це припущення, у свою чергу, призвело до цілої низки труднощів.
Як пояснювали поширення світла у вакуумі, де немає жодного середовища? На це запитання відповісти було ще нескладно. До початку нашого століття фізики вірили, що й порожній простір заповнений особливим середовищем із показником заломлення, що дорівнює одиниці. Це гіпотетичне середовище називали світовим ефіром. Видиме світло, а також інші електромагнітні хвилі вважали просто коливаннями ефіру. Для пояснення експериментальних фактів фізики запровадили поняття про світовий ефір. Без нього ніяк не могли обійтися, але водночас його використання для пояснення явищ природи вело до дедалі нових труднощів. Повернімося до пошуків системи відліку для світла. Просто й природно було б припустити, що системою відліку, в якій світло поширюється в усіх напрямках зі швидкістю c′ — c/n, є середовище (це означає, що системою відліку, в якій світло поширюється у вакуумі зі швидкістю с, править світовий ефір). Проте це припущення вело до дивних висновків.
Уявімо два однакові газові середовища, що рухаються одне відносно одного. Згідно з зробленим припущенням, швидкість світла має бути відносно обох середовищ однією й тією самою c′ (середовища ж однакові). Припустімо тепер, що світловий промінь переходить з одного середовища в інше. Що при цьому побачить спостерігач, який перебуває поза цими середовищами?
Уявіть собі, що Ви пливете на моторному човні по озеру, причому швидкість човна відносно води весь час залишається незмінною. Човен наближається до гирла річки, що впадає в озеро. Щойно течія води з річки підхопить човен, спостерігач на березі побачить, що швидкість човна раптом змінилася. Те саме має статися і під час переходу світлового променя з одного середовища в інше. Друге середовище, яке рухається відносно першого, захопить світловий промінь із собою. Спостерігач має помітити зміну швидкості світла на поверхні поділу середовищ. При цьому ця зміна має бути пов'язана з тим, що відбувся стрибок швидкості світла, величина якого не залежить від густини середовищ (від показника заломлення n), а залежить тільки від відносної швидкості середовищ.
Почнімо тепер розріджувати середовища, що рухаються відносно одне одного. Стрибок швидкості світла на поверхні поділу при цьому не змінюється. Зрештою ми дійдемо до стану, коли замість обох середовищ буде порожнеча, а стрибок швидкості залишиться таким самим. Світло, що поширюється в порожньому просторі, без жодних причин змінює швидкість, тобто результат виявиться абсурдним. Наше припущення не слушне. Системою відліку, де світло поширюється в усіх напрямках з однаковою швидкістю, не може бути середовище. Може, ми десь у міркуванні припустилися помилки? Остаточну відповідь, чи буде шуканою системою відліку середовище, чи ні, може дати тільки сама природа. Розглянемо деякі конкретні досліди, які було проведено для розв'язання цього питання.
У різних матеріальних середовищах світло поширюється зі швидкістю, меншою за c. Наприклад, у воді швидкість світла дорівнює 225 тис. км/с, у склі — 200 тис. км/с і т. д. Число, яке показує, у скільки разів швидкість світла в даному середовищі менша за швидкість світла в порожнечі, називається показником заломлення цього середовища й позначається літерою n. Так, у води показник заломлення n = 4/3, у скла n = 3/2 і т. д. Показник заломлення для порожнечі слід прийняти рівним одиниці; показник заломлення повітря практично такий самий (точніше 1,00029). Це означає, що в порожнечі й у повітрі світло практично поширюється зі швидкістю с.
Якщо системою відліку, в якій вимірюється швидкість світла, править середовище, то, звісно, годі сподіватися, що в результаті вимірювань ми отримаємо швидкість світла, яка дорівнює с. Природно очікувати, що вона вийде в n разів меншою, тобто швидкість поширення світла в середовищі с′ = c/n. За допомогою такого припущення фізики сподівалися вийти зі скрутного становища. Слід зауважити, що саме це припущення, у свою чергу, призвело до цілої низки труднощів.
Як пояснювали поширення світла у вакуумі, де немає жодного середовища? На це запитання відповісти було ще нескладно. До початку нашого століття фізики вірили, що й порожній простір заповнений особливим середовищем із показником заломлення, що дорівнює одиниці. Це гіпотетичне середовище називали світовим ефіром. Видиме світло, а також інші електромагнітні хвилі вважали просто коливаннями ефіру. Для пояснення експериментальних фактів фізики запровадили поняття про світовий ефір. Без нього ніяк не могли обійтися, але водночас його використання для пояснення явищ природи вело до дедалі нових труднощів. Повернімося до пошуків системи відліку для світла. Просто й природно було б припустити, що системою відліку, в якій світло поширюється в усіх напрямках зі швидкістю c′ — c/n, є середовище (це означає, що системою відліку, в якій світло поширюється у вакуумі зі швидкістю с, править світовий ефір). Проте це припущення вело до дивних висновків.
Уявімо два однакові газові середовища, що рухаються одне відносно одного. Згідно з зробленим припущенням, швидкість світла має бути відносно обох середовищ однією й тією самою c′ (середовища ж однакові). Припустімо тепер, що світловий промінь переходить з одного середовища в інше. Що при цьому побачить спостерігач, який перебуває поза цими середовищами?
Уявіть собі, що Ви пливете на моторному човні по озеру, причому швидкість човна відносно води весь час залишається незмінною. Човен наближається до гирла річки, що впадає в озеро. Щойно течія води з річки підхопить човен, спостерігач на березі побачить, що швидкість човна раптом змінилася. Те саме має статися і під час переходу світлового променя з одного середовища в інше. Друге середовище, яке рухається відносно першого, захопить світловий промінь із собою. Спостерігач має помітити зміну швидкості світла на поверхні поділу середовищ. При цьому ця зміна має бути пов'язана з тим, що відбувся стрибок швидкості світла, величина якого не залежить від густини середовищ (від показника заломлення n), а залежить тільки від відносної швидкості середовищ.
Почнімо тепер розріджувати середовища, що рухаються відносно одне одного. Стрибок швидкості світла на поверхні поділу при цьому не змінюється. Зрештою ми дійдемо до стану, коли замість обох середовищ буде порожнеча, а стрибок швидкості залишиться таким самим. Світло, що поширюється в порожньому просторі, без жодних причин змінює швидкість, тобто результат виявиться абсурдним. Наше припущення не слушне. Системою відліку, де світло поширюється в усіх напрямках з однаковою швидкістю, не може бути середовище. Може, ми десь у міркуванні припустилися помилки? Остаточну відповідь, чи буде шуканою системою відліку середовище, чи ні, може дати тільки сама природа. Розглянемо деякі конкретні досліди, які було проведено для розв'язання цього питання.