Явище річної аберації показало, що рух середовища, в якому поширюється світло, не впливає на його швидкість (тобто середовище під час свого руху не захоплює світло, що поширюється в ньому), але фізики цим не вдовольнилися. А що, коли захоплення світла земною атмосферою чомусь таке мале, що його неможливо виміряти? Потрібно дослідити, як захоплюється світло густішими середовищами. Метою досліду Фізо й було з'ясувати, чи захоплює вода, що тече, світловий промінь.
Швидкість світла в спокійній воді дорівнює с/n, де n — показник заломлення води. Якщо тепер змусити воду текти зі швидкістю u, чи залишиться швидкість світлового променя відносно земної поверхні колишньою, чи ні? На це питання мав відповісти дослід, поставлений Фізо в 1850 р. Якщо вода захоплює світло, що поширюється в ній, то швидкість світла відносно земної поверхні, яку позначимо через w, має бути
w = с/n + v .
Якщо вода не захоплює світлових хвиль, її рух не впливатиме на швидкість світла, і
w = с/n.
Яку ж із цих двох формул підтверджує дослід?
Фізо спрямовував світловий промінь як за течією води, так і проти течії та застосовував надзвичайно точні методи вимірювання. Результат вийшов такий:
w = c/n + v(1 – 1/n2)
З досліду Фізо випливає, що вода, яка тече, захоплює світло лише частково.
З погляду гіпотези про світовий ефір результат досліду Фізо неважко пояснити, точніше кажучи, такий результат було вже раніше передбачено Френелем. Френель припускав, що в матеріальних тілах густина ефіру більша, ніж у порожнечі. Коли тіло рухається в ефірі, ефір втікає в нього через передню поверхню й витікає через задню. Відбувається течія ефіру в тілі. При цьому швидкість ефіру в тілі менша за швидкість руху тіла відносно зовнішнього ефіру.
Викладемо коротко хід міркувань Френеля.
Нехай густина ефіру у воді буде ρ′, у порожнечі — ρ. Якщо припускати, що світло являє собою поперечні коливання ефіру, то показник заломлення води відносно вакууму n має виражатися через густину ефіру так:
Швидкість світла в спокійній воді дорівнює с/n, де n — показник заломлення води. Якщо тепер змусити воду текти зі швидкістю u, чи залишиться швидкість світлового променя відносно земної поверхні колишньою, чи ні? На це питання мав відповісти дослід, поставлений Фізо в 1850 р. Якщо вода захоплює світло, що поширюється в ній, то швидкість світла відносно земної поверхні, яку позначимо через w, має бути
w = с/n + v .
Якщо вода не захоплює світлових хвиль, її рух не впливатиме на швидкість світла, і
w = с/n.
Яку ж із цих двох формул підтверджує дослід?
Фізо спрямовував світловий промінь як за течією води, так і проти течії та застосовував надзвичайно точні методи вимірювання. Результат вийшов такий:
w = c/n + v(1 – 1/n2)
З досліду Фізо випливає, що вода, яка тече, захоплює світло лише частково.
З погляду гіпотези про світовий ефір результат досліду Фізо неважко пояснити, точніше кажучи, такий результат було вже раніше передбачено Френелем. Френель припускав, що в матеріальних тілах густина ефіру більша, ніж у порожнечі. Коли тіло рухається в ефірі, ефір втікає в нього через передню поверхню й витікає через задню. Відбувається течія ефіру в тілі. При цьому швидкість ефіру в тілі менша за швидкість руху тіла відносно зовнішнього ефіру.
Викладемо коротко хід міркувань Френеля.
Нехай густина ефіру у воді буде ρ′, у порожнечі — ρ. Якщо припускати, що світло являє собою поперечні коливання ефіру, то показник заломлення води відносно вакууму n має виражатися через густину ефіру так:
Зображення
За допомогою цієї формули неважко пояснити результати дослідів Фізо.
Відносно ефіру світло рухається зі швидкістю с\n. Якщо вода починає текти в напрямку поширення світла зі швидкістю v, то вона захоплює ефір зі швидкістю v (1 — 1/n2) . Тим самим швидкість світла в воді, що тече, має бути
w = c/n +v (1 — 1/n2)
що й показав дослід Фізо.
Згідно з теорією Френеля, рухоме середовище частково захоплює ефір, а тим самим і світло, що поширюється в ньому. Наскільки інтенсивно це відбувається, визначається величиною коефіцієнта захоплення 1 - 1/n2. У густому середовищі, де показник заломлення n великий, значний і коефіцієнт захоплення. Густе середовище помітно захоплює ефір. Навпаки, чим ближче показник заломлення середовища до одиниці (тобто чим розрідженіше середовище), тим нікчемніше захоплення ефіру рухомим середовищем.
За допомогою гіпотези часткового захоплення ефіру легко розв'язати парадокс, що виникає під час розрідження двох середовищ, які рухаються одне відносно одного. Чим розрідженішими стають середовища, тим слабше вони захоплюють ефір; у порожнечі ефір не захоплюється. Ефір усюди спочиває, жодного стрибка швидкостей у світла, що поширюється, там не може бути.
На перший погляд здавалося, що гіпотеза ефіру разом із припущенням Френеля про часткове захоплення ефіру рухомими тілами розв'язувала всі труднощі. Таким чином, шуканою системою відліку, в якій швидкість світла не залежить від напрямку поширення, можна було вважати світовий ефір. Проте сама теорія світового ефіру зустрілася з нездоланними труднощами. Щоб описати поширення світла в ефірі, треба було ефір у певному відношенні вважати твердим тілом. Водночас цілком неймовірно, щоб, наприклад, планети, які обертаються навколо Сонця, рухалися в твердому тілі. Було багато спроб знайти вихід із цього скрутного становища. Так, наприклад, припускали, що світовий ефір являє собою середовище, аналогічне смолі. Відомо, що смола може повільно текти. Якщо на шматок смоли покласти дробинку, то через деякий час дробинка зануриться в смолу (у цьому разі смола поводиться як рідина). При різкому ж ударі шматок смоли розколюється як тверде тіло. Тому можна було припускати, що ефір щодо повільних рухів (наприклад, обертання Землі навколо Сонця) поводиться як рідина, а щодо швидких (наприклад, поширення світла) має властивості твердого тіла. Але не допомогло ні це, ні інші дотепні припущення. Гіпотеза ефіру відводила фізиків від правильного шляху. Крім того, ця гіпотеза, як ми незабаром побачимо, суперечила класичному принципові відносності.
Відносно ефіру світло рухається зі швидкістю с\n. Якщо вода починає текти в напрямку поширення світла зі швидкістю v, то вона захоплює ефір зі швидкістю v (1 — 1/n2) . Тим самим швидкість світла в воді, що тече, має бути
w = c/n +v (1 — 1/n2)
що й показав дослід Фізо.
Згідно з теорією Френеля, рухоме середовище частково захоплює ефір, а тим самим і світло, що поширюється в ньому. Наскільки інтенсивно це відбувається, визначається величиною коефіцієнта захоплення 1 - 1/n2. У густому середовищі, де показник заломлення n великий, значний і коефіцієнт захоплення. Густе середовище помітно захоплює ефір. Навпаки, чим ближче показник заломлення середовища до одиниці (тобто чим розрідженіше середовище), тим нікчемніше захоплення ефіру рухомим середовищем.
За допомогою гіпотези часткового захоплення ефіру легко розв'язати парадокс, що виникає під час розрідження двох середовищ, які рухаються одне відносно одного. Чим розрідженішими стають середовища, тим слабше вони захоплюють ефір; у порожнечі ефір не захоплюється. Ефір усюди спочиває, жодного стрибка швидкостей у світла, що поширюється, там не може бути.
На перший погляд здавалося, що гіпотеза ефіру разом із припущенням Френеля про часткове захоплення ефіру рухомими тілами розв'язувала всі труднощі. Таким чином, шуканою системою відліку, в якій швидкість світла не залежить від напрямку поширення, можна було вважати світовий ефір. Проте сама теорія світового ефіру зустрілася з нездоланними труднощами. Щоб описати поширення світла в ефірі, треба було ефір у певному відношенні вважати твердим тілом. Водночас цілком неймовірно, щоб, наприклад, планети, які обертаються навколо Сонця, рухалися в твердому тілі. Було багато спроб знайти вихід із цього скрутного становища. Так, наприклад, припускали, що світовий ефір являє собою середовище, аналогічне смолі. Відомо, що смола може повільно текти. Якщо на шматок смоли покласти дробинку, то через деякий час дробинка зануриться в смолу (у цьому разі смола поводиться як рідина). При різкому ж ударі шматок смоли розколюється як тверде тіло. Тому можна було припускати, що ефір щодо повільних рухів (наприклад, обертання Землі навколо Сонця) поводиться як рідина, а щодо швидких (наприклад, поширення світла) має властивості твердого тіла. Але не допомогло ні це, ні інші дотепні припущення. Гіпотеза ефіру відводила фізиків від правильного шляху. Крім того, ця гіпотеза, як ми незабаром побачимо, суперечила класичному принципові відносності.