Armand Hippolyte Louis Fizeau

Elämä

Fizeau syntyi varakkaaseen perheeseen esikoisena. Hänen isänsä oli patologi, jonka jalanjäljissä Fizeau aloitti lääketieteen opinnot, jotka hän joutui kuitenkin keskeyttämään terveydellisen tilanteensa takia. Tämän jälkeen hän aloitti uransa fysiikan parissa. Myöhemmin Fizeau meni naimisiin kuuluisan botanistin Adrien de Jussieun tyttären kanssa. Avioliitto jäi kuitenkin lyhyeksi, sllä vaimo kuoli synnytettyään kaksi tytärtä ja pojan. Tämän seurauksena Fizeau muutti viettämään eläkepäiviään kotiinsa Jouarren lähelle, jossa hän kuoli leukasyöpään 76-vuotiaana 18.11. 1896.

Uran alkuvaiheet

Uransa alussa Fizeau tutki optiikkaa College de Francessa Henri Victor Renaultin kanssa ja hänen työnsä keskittyi valokuvausmenetelmien kehittämiseen. Fizeaun ensimmäisiä tieteellisiä tavoitteita olikin yritys parannella Louis Daguerren kehittämää ensimmäistä heliografia ja tehdä siitä tutkimuksen apuväline. Hän osoitti, että peilin pinnan hapettuminen voitiin estää päällystämällä peili ohuella kultakerroksella, minkä ansiosta tumman ja kirkkaan kontrastia voitiin huomattavasti parantaa.

Valon ja mustan kappaleen spektrien tutkiminen

College de Francessa olonsa jälkeen Fizeau työskenteli Pariisin observatoriossa astronomi François Aragon oppipoikana. Arago huomasi Fizeaun lahjakkuuden ja kannusti tätä jatkamaan uraansa fysiikan parissa. Aragon ansiosta Fizeaun fysiikan saavutukset tulivat tieteellisen akatemian tietoon ja myöhemmin Fizeausta tulikin tieteellisen akatemian jäsen. Uransa alussa Fizeau työskenteli usein yhteistyössä myös Leon Foucaultin kanssa, joka oli myös aloittanut opinnot lääketieteen parissa. Yhdessä he kehittivät valokuvausmenetelmiä ja vuonna 1845 kuvasivat ensimmäisten joukossa auringon pintaa. Yhdessä Foucaultin kanssa Fizeau tutki valon käyttäytymistä ja mustan kappaleen säteilyä. Käyttäen erittäin tarkkoja lämpömittareita Fizeau ja Foucault demonstroivat kuinka lämpösäteily tuotti vastaavia interferenssimaksimeja ja minimejä kuin näkyvä valo. Näkyvällä valolla minimit ja maksimit näkyvät tummina ja vaaleina alueina kun taas infrapunasäteilyn aiheuttamat interferenssikuviot ilmenevät lämpötilaeroina.

Valonnopeuden mittaaminen

Yksi aaltoteorian tärkeimmistä tuloksista oli se, että valonnopeus on pienempi tiheässä kuin harvassa aineessa. Tätä ei oltu kuitenkaan pystytty kokeellisesti todentamaan. Arago oli kehittänyt sähkönnopeuden mittaamiseen sopivan laitteiston, jota Fizeau ja Foucault parantelivat ja kehittivät sen pohjalta laitteiston valonnopeuden mittaamiseen (Fizeau-Foucault koe). Tämän jälkeen heidän yhteistyönsä kuitenkin päättyi henkilökohtaisista syistä. Vuonna 1850 molemmat tutkijat lähettivät tiedeakatemiaan artikkelin koskien valonnopeutta eri väliaineissa. Fizeau oli suorittanut kokeen yhteistyössä Louis Breguetin kanssa. Molemmat kokeet tuottivat saman lopputuloksen,jonka mukaan valo tosiaan kulki nopeammin ilmassa kuin vedessä.
Fizeaulle ei riittänyt suhteellisten valonnopeuksien mittaaminen, vaan hän halusi selvittää valonnopeuden vedessä ja ilmassa erikseen. Vuonna 1849 hän kehitti nerokkaan laitteiston, jonka avulla hän voisi suorittaa mittaukset. Laitteisto koostui valonlähteestä, isosta hammastetusta pyörivästä renkaasta, peilistä ja detektorista. Rengas pyöri nopeasti akselinsa ympäri ja valonsäde kulki valonlähteestä hampaanraon kautta peiliin, josta se heijastui takaisin. Kun rengas pyöri riittävän nopeasti, niin osa valosta jäi renkaan hampaiden taakse, jolloin detektori ei voinut havaita sitä. Kun renkaan nopeutta edelleen lisättiin, niin valo ilmaantui ja katosi vuorotellen. Valon kulkuun kuluva aika voitiin helposti mitata kun tiedettiin tarkka matka ja renkaan kulman muutos. Fizeau sai valonnopeudelle ilmassa arvon 315 000 kilometriä sekunnissa. Arvo ei ollut yhtä tarkka kuin astronomisilla laskuilla saadut tulokset, mutta kokeen käytännöllisyyden vuoksi mittausmenetelmä julkistettiin ja myöhemmin se antoi osviittaa tarkemmille valonnopeuden mittauksille. Pienillä muutoksilla koejärjestelyssä Fizeau yritti mitata myös sähkönnopeutta insinööri Pierre-Emille Gounellen kanssa, mutta kehnoin tuloksin.
Vuonna 1851 Fizeau mittasi valon suhteellisen nopeuden vedessä. Hänen koejärjestelynsä perustui siihen, että valo tuotti interferenssikuvioita kuljettuaan kahden rinnakkaisen putken läpi, joissa fluidi liikkui vastakkaisiin suuntiin. Jopa pieni muutos eri putkissa kulkevien valonsäteiden nopeuksissa aiheuttaisi ison muutoksen interferenssikuvioissa. Fizeau toteutti kokeen käyttäen sekä ilmaa että vettä väliaineena. Kun väliaineena oli vettä, niin valonnopeus oli pienempi valon kulkiessa vastavirtaan kuin myötävirtaan. Tulos tuki Augustin Jean Fresnelin teoriaa, jonka mukaan väliaine kuljetti eetteriä. Myöhemmin Albert Einstein hyödynsi Fizeaun tuloksia kehittäessään erityistä suhteellisuusteoriaansa. Vuonna 1886 Albert Abraham Michelson ja Edward Morley toistivat kokeen (Michelsonin-Morleyn koe) parannellulla laitteistolla ja päätyivät samaan lopputulokseen.

Tähden säteilyspektri ja tähtien suhteelliset nopeudet

Tietämättä Christian Dopplerin vuonna 1842 julkaisemasta punasiirtymää käsittelevästä teoksesta, Fizeau julkaisi selityksen tähden säteilyspektrin aallonpituuksien siirtymälle vuonna 1848 ja osoitti miten sen avulla voidaan mitata tähtien suhteellisia nopeuksia. Fizeau osoitti, että liikkuvan valonlähteen säteilyn taajuuden muutos on analoginen äänen taajuuden muutoksen kanssa. Tästä tuli tärkeä havainnointikeino universumin koon ja rakenteen selvittämisessä.

Saavutukset

Dopplerin ilmiön lisäksi Fizeau ei kehittänyt uusia teorioita, eikä hän julkaissut mitään erityisen merkittävää. Fizeaun suurimmat saavutukset olivatkin hänen pitkälle kehittelemänsä uudet koejärjestelmät. Fizeaun maine ei missään vaiheessa yltänyt hänen saavutuksiensa tasolle, suurelta osin sen takia, että hän jätti koemenetelmänsä seuraajiensa paranneltaviksi ja edelleen kehiteltäviksi. Vuonna 1856 Ranskan instituutin viisi perustaja-akatemiaa palkitsivat Fizeaun keisarin laatimalla erikoispalkinnolla ja hän pääsi tieteellisen akatemian fysiikan osaston jäseneksi vuonna 1860, jossa hän toimi osastonsa varapresidenttinä vuonna 1877 ja presidenttinä vuonna 1878. Tämän lisäksi Royal Society antoi hänelle Rumford-mitalin vuonna 1866 ja vieraskielisen jäsenen tittelin vuonna 1875.