Experiment de Fizeau

Archiu:Fizeau-Mascart2.png

L'aparat utilisat en l'experiment de Fizeau

El experiment de Fizeau va ser un ensaig portat a terme pel físic francés Hippolyte Fizeau en 1850 per a medir la velocitat relativa de la llum a través de l'aigua en moviment. Fizeau va utilisar un interferómetro especial modificat per a medir l'efecte del moviment d'un mig sobre la velocitat de la llum.

Segons les teories que prevalien en aquella época, la llum viajant a través d'un mig en moviment seria arrastrada pel mig, de modo que la velocitat medida de la llum seria una suma senzilla de la seua velocitat a través del mig més la velocitat del propi mig. Fizeau de fet va detectar un efecte d'arrastre, pero la magnitut de l'efecte que va observar estava molt per baix de lo esperat. Els seus resultats segons semblava recolzaven la hipòtesis de l'arrastre parcial de l'éter de Fresnel, una situació que era desconcertante per a la majoria dels físics. Va tindre que passar mig sigle abans de tindre una explicació satisfactòria de les medicions inesperades obtingudes per Fizeau, desenrollada en el advenimiento de la teoria d'Albert Einstein de la relativitat especial. El mateix Einstein va senyalar més tarde l'importància de l'experiment per a la gestació de la relativitat especial.

A pesar de que és conegut com «l'experiment de Fizeau», Fizeau era un actiu experimentador que va portar a terme una àmplia varietat d'experiments diferents, que inclouen la medició de la velocitat de la llum en distintes situacions.

Montage de l'experiment

Archiu:Fizeau-Mascart1 retouched.png

Montage original del Experiment de Fizeau (1851)

Un raig de llum que emana de la font S′ és reflectit per una divisor de fes G i és colimado en un fes paralel per la lent L. Despuix de passar per les obertures O1 i O2, dos rajos de llum viagen a través dels tubos A1 i A2, a través dels que circulen corrents d'aigua arrere i alvance com indiquen les fleches. Els rajos es reflectixen en l'espill m situat en el foc de la lent L′, de modo que un raig sempre es propaga en la mateixa direcció de la corrent d'aigua, i l'atre raig en la direcció oposta de la corrent. Despuix de passar arrere i alvance a través dels tubos, abdós rajos s'unixen de nou en S, a on produïxen llínees d'interferència que poden ser visualisades a través de l'ocular representat. El patró d'interferència pot ser analisat per a determinar la velocitat de la llum que viaja a lo llarc de cada braç del tubo.

Coeficient d'arrastre de Fresnel

Se supon una velocitat de fluix d'aigua en els tubos v. Segons la teoria no relativista del éter lumínic, la velocitat de la llum tindria que aumentar quan anara "arrastrada" per l'aigua a lo llarc del tubo, i disminuir quan tinguera que "véncer" la resistència de l'aigua. La velocitat global d'un raig de llum tindria que ser una suma aditiva senzilla de la seua velocitat a través de l'aigua més la velocitat de l'aigua.

Açò és, si n és l'índex de refracció de l'aigua, de modo que c/n és la velocitat de la llum en l'aigua en repòs, llavors la velocitat predita de la llum w en un braç seria

$w_{+}=\frac{c}{n}+v,$

i la velocitat pronosticada en l'atre braç seria

$w_{-}=\frac{c}{n}-v.$

Per lo tant, la llum viajant contra el fluix d'aigua tindria que ser més llenta que la llum viajant a favor del fluix de l'aigua.

El patró d'interferència entre els dos rajos quan la llum és recombinada en el punt d'observació depén del temps de trànsit sobre els dos recorreguts, i pot usar-se per a calcular la velocitat de la llum com una funció de la velocitat de l'aigua.

Fizeau va trobar que

$w_{+}=\frac{c}{n}+v(1-\frac{1}{n^2}).$

En atres paraules, la llum semblava ser arrastrada per l'aigua, pero la magnitut de l'arrastre era molt menor que l'esperada.

L'experiment de Fizeau va forçar als físics a acceptar la validea empírica d'una vella teoria (teòricament insatisfactòria) d'Augustin-Jean Fresnel (1818), que havia segut invocada per a explicar en 1810 un experiment de Arago, concretament, que un mig que es mou a través de l'éter estacionari arrastraria la llum propagada a través d'ell únicament en una fracció de la velocitat del mig, en un coeficient d'arrastre f donada per

$f=(1-\frac{1}{n^2}).$

En 1895, Hendrik Lorentz va predir l'existència d'un terme extra per la dispersió:

$w_{+}=\frac{c}{n}+v(1-\frac{1}{n^2}-\frac{\lambda }{n}\cdot \frac{\mathrm{d}n}{\mathrm{d}\lambda }).$

Vore també

• Proves de relativitat especial
• Hipòtesis de l'arrastre de l'éter
• Història de la relativitat especial

Referències

Fonts secundàries

Fonts primàries