O hipotezama svetlosnog etra i o jednom opitu koji, kako se čini, dokazuje da kretanje tela menja brzinu prostiranja svetlosti u tim telima

Fizo

O HIPOTEZAMA

svetlosnog etra i o jednom opitu koji,

kako se čini, dokazuje da kretanje tela

menja brzinu prostiranja svetlosti u tim telima

(Prevod članka: H. Fizeau, Comptes rendus, 1851, v. 33, p. 349-355.)

Za objašnjenje pojave aberacije svetlosti s tačke gledišta talasne koncepcije ponuđeno je nekoliko teorija. Ranije Frenel, a nedavno Dopler, Stks, Čelis i drugi objavili su važne radove o tom pitanju; ali, izgleda, ni jednu od predloženih teorija fizičari nisu sasvim prihvatili. Stvarno, u nedostatku tačnih podataka o svetlosnom etru i njegovom odnosu sa teškom materijom fizičari su morali da predlože neke hipoteze; među njima postoje one koje su više ili manje verovatne, ali se ni jedna ne može smatrati dokazanom.

Te se hipoteze mogu svesti na tri osnovne. Ove se odnose na stanje etra u prozračnim telima:

- Ili je etar čvrsto povezan s molekulima tela i, dakle, učestvuje u kretanjima koje je moguće saopštiti telu;

- Ili je etar slobodan i nezavisan i ne povlači se telima pri njihovom kretanju;

- Ili je, na kraju (treća hipoteza uzima u obzir i prvu i drugu), samo deo etra slobodan, a ostatak vezan za molekule tela, i jedino on učestvuje u njihovom kretanju.

Ova poslednja hipoteza, koja potiče od Frenela, bila je predložena da bi se istovremeno objasnila i aberacija i znameniti Aragoov opit, koji je dokazao da kretanje Zemlje ne utiče na prelamanje svetlosti zvezda pri prolasku kroz prizmu.

Možemo odrediti veličinu, koju je neophodno pripisati brzini svetlosti u pokretnim telima, u skladu sa svakom od ovih hipoteza. Brzina svetlosti može da se menja zbog kretanja tela.

Ako pretpostavimo da se etar potpuno povlači telima, onda u slučaju kad se zraci prostiru u smeru kretanja tela, brzina se svetlosti povećava za celu brzinu tela. Ako se etar smatra slobodnim, brzina se svetlosti uopšte ne menja. Naposletku, ako se povlači samo deo etra, bezina se svetlosti povećava, ali ne za celu brzinu tela, nego za neki deo ove. Poslednji zaključak je manje očevidan nego prethodni, ali je Frenel pokazao da je on zasnovan na veoma verovatnim mehaničkim rasuđivanjima.

Mada je brzina svetlosti ogromna u poređenju s brzinama koje je moguće saopštiti telima, mi danas već posedujemo tako tačna sredstva posmatranja, da se čini mogućim odrediti direktnim opitom, kakav je stvarni uticaj kretanja tela na brzinu svetlosti.

Zahvaljujući Aragoovom interferencionom metodu možemo ustanoviti malene promene indeksa prelamanja tela. Arago i Frenel su posmatrali razlike pri prelamanju u suvom i vlažnom vazduhu i demonstrirali izuzetnu osetljivost tog metoda.

Koristeći taj isti princip i spajajući Aragoovu dvojnu cev za uređaj sa dve spregnute cevi za posmatranje, koje je on koristio za određivanje apsolutne brzine svetlosti, uspelo mi je da neposredno izučim uticaj kretanja tela na brzinu prostiranja svetlosti u dvema sredinama — u vazduhu i vodi.

Pokušaću da opišem hod svetlosnih zraka u ovom opitu ne koristeći crtež. Sunčevi zraci koji izlaze iz žiže cilindričnog sočiva ulazili su skoro trenutno u prvu zriteljnu cev kroz bočni otvor koji se nalazi blizu žiže. Prozračna staklena pločica, naklonjena pod uglom od 45 stepeni k osi zriteljne cevi, zahvaljujući odbijanju usmeravala je zrake u objektiv.

Posle izlaska iz objektiva međusobno paralelni zraci padali su na dva procepa, koji su odvodili svetlost u dve cevčice. Zahvaljujući tome, veoma uski snop svetlosti prolazio je duž obe cevčice dugačke 1.487 m. Dva paralelna snopa stizala su do objektiva druge z. cevi, prelamala se u njemu i susretala se u njegovoj žiži. Ovde su se oni odbijali od ogledala koje je postavljeno normalno na osu cevi i vraćali se u objektiv . Ali, kao posledica odbijanja, zraci su zamenili putanje: snop, koji je ranije išao zdesna sad se nalazio sleva, i obrnuto. Prolazeći drugi put kroz objektiv, snopovi su ponovo bili paralelni i ulazili opet u cevčice, s tom jednom razlikom što su zamenili cevčice: snop koji je prošao napred duž jedne cevčice, vratio se duž one druge.

Posle drugog prolaska kroz cevčice, dva snopa su, kroz dvojni procep, stizali opet u prvu z. Cev, presecali prozračnu staklenu pločicu i interferisali u žiži cevi. Zahvaljujući uzajamnom delovanju snopova, nastajale su ovde interferencione pruge koji se posmatraju pomoću okilara s končanicom, smeštenog u žiži.

Da bismo mogli meriti male delove širine pruge, same pruge moraju da budu dosta široke. Našao sam da se to može postići bez smanjenja jačine svetlosti, ako ispred jednog proreza stavim debelu staklenu pločicu, pa je nakosim tako da međusobno rastojanje likova procepa koji se dobiju pri odbijanju bude manje od međusobnog rastojanja stvarnih procepa. Na taj se način može zadavati prugama različita širina i izabrati ona koja je najpogodnija za posmatranje. Cilj dvostrukog prolaženja cevčica bio je uvećanje dužine pređenog puta i istovremeno potpuna kompenzacija uticaja slučajne razlike temperatura i pritisaka u dvema cevčicama. Takve razlike, ako bi se javile, mogu da dovedu do pomeranja pruga, koja bi se dodavala na pomeranja izazvana kretanjem; to bi dovelo do netačnih merenja.

Stvarno, kako se može lako primetiti, pri ukazanom rasporedu sve tačke, koje leže na putu jednog zraka, nalaze se i na putu drugog, tako da promena gustine u jednoj bilo kojoj tački puta deluje podjednako na oba zraka i zato ne može uticati na položaj pruge. Kompenzacija je zaista potpuna, i u taj fakt se možemo uveriti ako stavimo debelu pločicu samo ispred jednog procepa ili ako napunimo vodom samo jednu cevčicu, dok je u drugoj vazduh. Ni pri jednoj od tih provera nije otkrivena ni minimalna promena položaja pruga.

Što se tiče kretanja — naprotiv, očito su oba zraka podvrgnuta uticajima suprotnih znaka. Ako uzmemo da je u desnoj cevčici voda tekla k posmatraču, onaj zrak koji je došao zdesna plivao je nizvodno, dok je zrak koji je došao sleva plivao uzvodno. Ako pustimo vodu da teče istovremeno, ali u suprotnim smerovima, primećujemo da se efekti sabiraju. Posle toga kada se dvojni tok realizuje, moguće je menjati smer kretanja vode u dvema cevčicama i time još dobiti dupliranje efekta.

Sva ta kretanja vode realizovana su na veoma prost način. Svaka čevčica je, kroz dva trojnika postavljena blizu krajeva, bila u spoju sa dva staklena rezervoara u kojima se povremeno povećavao pritisak pomoću komprimovanog vazduha. Pod dejstvom tog vazduha voda je tekla cevčicama iz jednog rezervoara u drugi; krajevi cevčica bili su zatvoreni staklenim pločicama. I same cevčice bile su napravljene od stakla, s dimenzijama 5.3 mm (dijametar) i 1.487 m (dužina).

Pritisak koji je izazivao strujanje vode mogao je biti i veći od dve atmosfere. Brzina vode je izračunavana deljenjem zapremine vode koja bi protekla u jednoj sekundi sa površinom poprečnog preseka. Da bih sprečio mogući prigovor, dužan sam da kažem da je ogromna pažnja bila posvećena odstranjivanja slučajnih kretanja, koje može da izazove pritisak ili udar vode. Tako, obe cevčice i rezervoari, u kojima se dešavalo kretanje vode bili su montirani nezavisno od drugih delova uređaja, naročito od pozornih cevi. Zato su samo cevčice mogle da slučajno pokrenu; ali razmatranja i opiti pokazuju da kretanja i otkloni samih cevi ne utiču na položaj pruga.

Evo šta su dala posmatranja.

Ako voda poteče, pruge se pomeraju, pri tome u zavisnosti od smera strujanja vode pomeranje je nadesno ili nalevo.

Pruge se pomeraju nadesno, kada voda struji od posmatrača cevčicom koja mu je zdesna, a struji ka posmatraču cevčicom koja mu je sleva.

Pruge se pomeraju levo, kada voda teče suprotno gorepomenutom. Pri brzini vode reda 2 m/s pomeranje je već sasvim osetno; pri brzinama 4-7 m/s sasvim je merljivo.

Ustanovivši postojanje pojave, pokušao sam da odredim što tačnije brojnu vrednost njenu.

Nazvao sam pomeranje prostim, ako ono nastaje kada vodu (koja je pre toga mirovala) pokrenem, i dvojnim ako se ono realizuje pri promeni smera vode na suprotni smer, pa sam našao za srednju vrednost pomeranja iz 19 dovoljno dobro usaglašenih posmatranja 0.23 za prosto pomeranje i 0.46 za dvojno (za jedinicu je uzeta širina jedne pruge). Brzina vode je iznosila 7.069 m/s.

Ove podatke smo upoređivali s rezultatima izračunavanja na osnovu različitih hipoteza o etru. Ako pretpostavimo da je etar savršeno slobodan i ne zavisi od kretanja tela, pomeranje je jednako nuli. S pretpostavkom da je etar povezan s molekulima tela tako da potpuno učestvuje u njihovom kretanju, izračunavanja daju pri dvojnom pomeranju 0.92; posmatranja daju broj dvaput manji — 0.46.

Po hipotezi koja se prihvata u Frenelovoj teoriji delimičnog povlačenja etra izračunavanja daju 0.40, to jest broj koji je vrlo blizak nađenom. Razlika između te dve vrednosti bila bi možda još i manja ako bi se uzela u obzir popravka za brzinu vode koja vodi računa o nejednakosti brzina pojedinih slojeva vode. Tu popravku nismo uračunali, zbog nedostatka podataka. Ako najverovatnijim načinom približno ocenimo tu popravku, uviđamo da ona vodi k povećanju teorijske vrednosti i njenom približavanju posmatranoj vrednosti.

Opit koji je sličan opisanome, izveli smo i s pokretnim vazduhom; ja sam našao da kretanje vazduha ne izaziva nikakvo primetno pomeranje pruga. U uslovima opita pri brzini vazduha 25 m/s nalazimo da, saglasno hipotezi povlačenja etra, dvojni pomeraj bi iznosio 0.82. Po Frenelovoj hipotezi, taj isti pomeraj bi iznosio samo 0.000465, to jest on je savršeno neprimetan. Na taj način, prividna nepokretnost pruga u ovom opitu s vazduhom potpuno se slaže s Frenelovom teorijom.

Tek posle toga, kad sam ustanovio taj negativan rezultat, pokušavajući da objasnim na zadovoljavajući način na osnovu raznih hipoteza o etru istovremeno pojavu aberacije i rezultate Aragoovih opita, smatrao sam neophodnim da dopustim zajedno sa Frenelom da kretanje tela izaziva neke promene brzine svetlosti, pri čemu stepen tih promena zavisi od refrakcionih osobina sredine. Promene su znatne u sredinama koje jako prelamaju, i vrlo male u sredinama koje, slično vazduhu, slabo prelamaju.

Otuda sledi: pruge se ne pomeraju pri prostiranju svetlosti kroz pokretni vazduh, ali se moraju prilično pomerati u opitu s vodom, jer je indeks prelamanja za nju znatno veći nego za vazduh.

Jedan opit koji je izveo Babine i izložio u „Comptes Rendus de l’Acad. des sciences”, t. IX, izgleda kao da protivreči hipotezi o promeni brzine saglasno Frenelovom zakonu. Ali, kad sam razmotrio uslove toga opita, primijetio sam jednu okolnost, zbog koje je efekt, izazvan kretanjem, kompenzovan i tako postao neprimetan. Uzrok je u karakteru odbijanja koje trpi svetlost u tom opitu. Stvarno, može se dokazati: ako između dva zraka postoji određena razlika putanja, ta se razlika menja pri odbijanju od pokretnog ogledala. Ako se izračunaju posebno oba efekta u Babineovom opitu, pokazuje se da su oni skoro jednaki i imaju različite znake.

Ovo objašnjenje čini da je hipoteza o promeni brzine još verovatnija, i opit s pokretnom vodom izgleda meni sasvim pogodnim za konačno rešenje pitanja.

Čini mi se da uspeh ovog opita mora značiti i prihvatanje Frenelove hipoteze, ili bar zakona koji je on našao za izraz promene brzine svetlosti usled kretanja tela. Jer čim zakon bude priznat kao veran, dobijamo jaku potvrdu u korist hipoteze, koja daje za posledicu taj zakon. Možda Frenelova koncepcija izgleda tako neobična i u nekim relacijama tako teška za razumevanje, da su nužne i druge provere, pa i zasnovanije analize od strane matematičara, pre nego se bude moglo priznati da ona odražava stvarnost.

(Preveo Vukota Babović u Budimlji, oktobra 2012)