Ограниченность применения преобразований Галилея. Опыт Физо.

Отдавая дань исторической справедливости,

необходимо сказать об опыте Физо, выполненном в 1860 г., задолго до того, как возникло представление о постоянстве скорости света и был установлен приближенный характер преобразований Галилея.

Идея опыта Физо состояла в измерении скорости света в движущейся материальной среде, например в воде. В своем опыте Физо сравнивал скорости света в в направлении движения и против направления движения среды. Если среда, в которой распространяется свет, сама движется со скоростью , то скорость света для неподвижного наблюдателя, согласно классическим представлениям, должна быть , в зависимости от того, совпадают или противоположно направлены света и среды. Здесь , где показатель преломления среды.

Результат опыта указывал на “странный” закон сложения скоростей.

Схема опыта Физо приведена на рисунке. Монохроматический свет от источника падает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два когерентных луча. Отразившийся от пластинки луч проходит путь ( зеркала), а луч, прошедший через пластинку , движется противоположно отраженному, т.е. по пути . Первый луч, возвратившись к пластинке , частично отражается от неё и попадает в интерферометр . Второй луч, возвратившись к пластинке , частично проходит через неё и также попадает в интерферометр .

Очевидно, что оба луча проходят один и тот же путь, причем на участках и свет распространяется в жидкости, находящейся в трубе с прозрачными стенками. Если жидкость покоится, то условия прохождения лучей совершенно одинаковы.

Если жидкость движется, то пути, проходимые лучами, уже не эквивалентны, поскольку один из лучей распространяется по течению, а второй против течения жидкости. По интерференционной картине, возникающей в результате сложения световых волн, пришедших в интерферометр, можно определить время запаздывания одного луча относительно другого.

Представим скорость света, распространяющегося в жидкости по течению и против течения как

и ,

соответственно, где коэффициент, определяемый в эксперименте.

Если , то справедлив классический закон сложения скоростей, если , то имеет место отклонение от этого закона.

Пусть путь, проходимый светом в жидкости, а время, в течение которого свет движется вне жидкости. Тогда времена прохождения светом всего пути в противоположных направлениях равны

и ,

а их разность, которая определяется по смещению интерференционных полос, составляет

.

В опыте Физо значение коэффициента составило

.

Т.о., опыт показал отклонение от классического закона сложения скоростей. Казалось бы, удивительный для своего времени результат, анализ которого позволял сделать далеко идущие выводы. Однако парадокс заключается в том, что этот результат не был должным, с точки зрения сегодняшних представлений, образом оценен и интерпретирован. Дело в том, что Френель в своей работе задолго до опыта Физо показал, что материя, движущаяся в эфире, должна лишь частично увлекать за собой эфир, а величина этого увлечения в точности соответствовала результату опыта Физо.

Только после создания специальной теории относительности стало понятно, что в опыте Физо впервые была доказана несправедливость (т.е. ограниченность применения) классического закона сложения скоростей и преобразований Галилея.

Постулаты специальной теории относительности.

В качестве исходных позиций СТО Эйнштейн принял два постулата, или принципа, в пользу которых говорил весь экспериментальный материал:

1.Принцип относительности. Все физические явления протекают одинаковым образом во всех ИСО;

все законы природы и уравнения, их описывающие, инвариантны (не меняются) при переходе от одной ИСО к другой; все ИСО эквивалентны (неразличимы) по своим физическим свойствам.

Первый постулат, как видно из его содержания, представляет собой обобщение принципа относительности Галилея на любые физические процессы.

2.Принцип постоянства скорости света . Скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника света и одинакова во всех направлениях. Скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО и является предельной скоростью распространения любого взаимодействия.

Заметим, что СТО принимает без изменения такие положения классической механики, как евклидовость пространства и закон инерции Галилея-Ньютона.

Второй постулат требует экспериментальной проверки, но предварительно обратим внимание на то, что скорость света – одна из основных физических постоянных. Поэтому необходимо отметить следующие ее свойства:

см/с.

Скорость света не зависит от его частоты. Этот факт экспериментально проверен от радиоволн ( км ) до - лучей ( см).

Входит в систему уравнений Максвелла.

Входит в постоянную тонкой структуры и

магнетон Бора эрг/Гс.

Свойства скорости света и сама её величина играют огромную роль в природе. Предельный характер этой скорости существенно изменяет наши представления о пространстве и времени. Для определения скорости света применялись разные методы. Рассмотрим некоторые из них.