狭义相对论前传V:部分拖曳假说与裴索实验

文化   2024-11-11 17:18   吉林  

上文“狭义相对论前传IV”介绍了阿拉果实验,但是阿拉果实验并没有检测到不同的光速,注意在狭义相对论诞生之前,所有的实验目的都是为了观测到不同的光速而确认以太的存在。


菲涅尔针对阿拉果的实验在1818年给出了一个假说,叫做部分拖曳假说:折射率越大,拖曳的以太越多,曳引系数是  。


不过菲涅尔的部分拖曳假说并没有得到重视,直到1851年,法国物理学家裴索(Armand Hippolyte Louis Fizeau)做了一个流水实验,实验结果与菲涅尔的部分拖曳假说的预言很接近。


裴索设计了一个流水实验,让一束光顺着水流运动,另一束光逆着水流运动,它们走完水管的时间应该是不一样的,实验装置草图如下:

来自光源S的一束光射在倾斜的分光镜P上,将光束分裂为两部分,一部分直行抵达镜M1,另一部分经反射90°抵达M3,再借助反射镜M2将两束光返回到P,再从P射出进入望远镜T。


这个装置构成了一个光学干涉仪,如果使用的是单色光,望远镜内就能看到干涉条纹,从而确定光程差。


在计算光程差时,只需要考虑水管内的情况,我们可以是利用这两束光到达望远镜的时间差来计算光程差,每根管子的长度是l,水流速度是v,曳引系数是f,那么有  
 这意味着光程差  ,那么可以看到的条纹数是  ,实验测量值是

可计算出曳引系数  (修正小数点点错:f=0.492235),而根据菲涅尔的假说结果  ,数值很接近,可见斐索实验确实验证了菲涅尔的假说,不过误差大了点。


当然,实验的结果并不是仅仅证明了拖曳假说的正确性,菲涅尔还得出了一个更强的结论:精确到v/c的一阶的光学现象是不会受到地球相对以太运动的影响的。这也是部分拖曳假说的必然结果。


到1868年,Martinus Hoek做了一个更精确的实验来验证菲涅尔部分拖曳假说。Hoek的手稿:https://www.conspiracyoflight.com/Hoek/Martinus_Hoek_1868_paper_in_English.pdf


放上Hoek实验的参考链接,我就不写了:

https://www.conspiracyoflight.com/Hoek/Hoek_Experiment.html


在1871年,英国天文学家George Biddell Airy爵士,做了一个改进的光行差实验,假设将望远镜瞄向一颗真正的与地球轨道平面呈90°的恒星,地球在以太中的运动速度是v,现在假设望远镜内部充满了折射率为n水,因为光在水中的运动速度比空气中慢,需要更长的时间来穿过镜筒。

在望远镜物镜外部是空气,内部是水,那么光在穿过物镜后会有额外的偏向望远镜轴的折射,由折射定律有    ,由于光在水中的速度是  ,而望远镜的速度是v,那么能通过目镜看到恒星的条件就是  ,代入到折射定律中有

而常规的望远镜的角  ,只要观测到这两个角差值就可以得到地球在以太中的速度,然而这个实验是一个零结果,两个角度并没有不同,同时也证明了菲涅尔的部分拖曳假说的准确性。


Cosmos and Us
物理是世界上至高无上的艺术。在这里,我会谈论这个世界中最基本的艺术:一种叫做物理学的艺术。这里有宇宙诞生、基本粒子与宇宙结构、天体塌缩到黑洞、黑洞蒸发的故事。我会从大爆炸说起,直到现在,到……未知的未来……以及谈论科学与我们的生活。
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