Thí nghiệm Fizeau

Thí nghiệm Fizeau được thực hiện bởi Hippolyte Fizeau vào năm 1851 để đo tốc độ tương đối của ánh sáng trong môi trường nước chuyển động. Fizeau đã sử dụng một giao thoa kế đặc biệt để đo ảnh hưởng của chuyển động của môi trường lên tốc độ ánh sáng.
Theo các lý thuyết phổ biến tại thời điểm thực hiện thí nghiệm này, ánh sáng khi di chuyển trong một môi trường sẽ có tốc độ, quan sát được bởi người đứng bên ngoài môi trường, bằng tổng của tốc độ của ánh sáng trong môi trường cộng với tốc độ của môi trường. Fizeau thực tế đã phát hiện ra rằng tốc độ của môi trường có ảnh hưởng đến tốc độ ánh sáng đo được, nhưng mức độ ảnh hưởng thấp hơn nhiều so với dự đoán của lý thuyết nêu trên. Kết quả của ông dường như ủng hộ cho giả thuyết kéo ête bán phần của Augustin-Jean Fresnel, một kết quả gây bất ngờ cho hầu hết các nhà vật lý vào thời điểm đó. Hơn nửa thế kỷ sau đó, vào năm 1905, một lời giải thích thỏa đáng cho kết quả đo của Fizeau đã được phát triển với thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein. Einstein đã chỉ ra tầm quan trọng của thí nghiệm đối với thuyết tương đối hẹp, trong đó kết quả của Fizeau ứng với công thức cộng vận tốc của thuyết tương đối hẹp, trong giới hạn trong tốc độ của môi trường là nhỏ hơn nhiều tốc độ ánh sáng.
Mặc dù thí nghiệm này được gọi là "thí nghiệm Fizeau", Fizeau là một chuyên gia đã thực hiện rất nhiều các thí nghiệm khác nhau liên quan đến việc đo tốc độ ánh sáng trong các tình huống khác nhau. Thí nghiệm nổi tiếng khác của Fizeau là đo tốc độ ánh sáng trong không khí, sử dụng dụng cụ Fizeau–Foucault.

Bố trí thí nghiệm

Một tia sáng được phát ra từ một nguồn sáng S′ rồi được phản xạ bởi một gương bán mạ G và được chuẩn trực thành một chùm tia song song bởi thấu kính L. Sau khi đi qua hai khe O₁ và O₂, hai tia sáng được cho đi qua hai ống A₁ và A₂. Trong hai ống này có nước chảy theo hai chiều ngược nhau, được thể hiện bởi hai mũi tên trong hình bên trên. Các tia sáng sau đó phản xạ ở gương m được đặt ở mặt phẳng tiêu của thấu kính L′, để cho một tia luôn đi cùng chiều với dòng nước, và tia còn lại chuyển động ngược chiều với dòng nước. Sau khi đi qua rồi quay lại, tổng cộng hai lần xuyên qua hai ống nước, hai tia sáng gặp nhau ở điểm S, tại đó chúng giao thoa với nhau và tạo nên các vân giao thoa có thể được quan sát bởi một mắt kính quan sát được vẽ trên hình. Các vân giao thoa có thể được phân tích để xác định tốc độ ánh sáng đi trong từng ống.

Tranh luận

Mặc dù công thức tính hệ số kéo của Fresnel đã phù hợp với kết quả thí nghiệm của Fizeau, nhiều chuyên gia trong lĩnh vực, bao gồm cả bản thân Fizeau (1851), Éleuthère Mascart (1872), Ketteler (1873), Wilhelm Veltmann (1873), và Hendrik Lorentz (trong thuyết ête Lorentz năm 1886) đều coi giả thuyết kéo ête bán phần của Fresnel thiếu nền tảng lý thuyết vững chắc. Ví dụ, Veltmann (1870) chứng tỏ rằng công thức của Fresnel sẽ dẫn đến hệ quả là ête sẽ có hệ số kéo khác nhau có các bước sóng khác nhau, vì chiết suất phụ thuộc bước sóng ánh sáng; Mascart (1872) chứng minh kết quả tương tự cho ánh sáng phân cực đi qua môi trường lưỡng chiết.
Sự không hài lòng của Fizeau với lý thuyết của Fresnel được thể hiện ở lời kết của báo cáo của ông về thí nghiệm:
Sự thành công của thí nghiệm khiến ta phải chấp nhận giả thuyết của Fresnel, hoặc ít nhất định luật ông ta đã tìm thấy để thể hiện sự tác động vào tốc độ ánh sáng bởi chuyển động của môi trường; dù rằng định luật này là bằng chứng mạnh ủng hộ giả thuyết đã nêu vì nó là hệ quả duy nhất của giả thuyết đó, có lẽ các khái niệm mà Fresnel đã đưa ra có vẻ quá khác thường, và khó chấp nhận được, đến nỗi các cách chứng minh khác và một nghiên cứu sâu sắc hơn để giải thích cho định luật này vẫn là cần thiết trước khi chấp nhận nó là chuẩn xác.
Dù cho hầu hết các nhà vật lý đều không hài lòng với giả thuyết kéo ête bán phần của Fresnel, việc thực hiện lại và cải tiến thí nghiệm Fizeau bởi những người khác đều xác nhận kết quả của Fizeau đến độ chính xác cao.
Những vấn đề lớn khác với giả thuyết kéo ête bán phần đã được phát hiện bởi thí nghiệm Michelson–Morley (1887). Theo lý thuyết của Fresnel, môi trường ête là gần đứng yên, và thí nghiệm Michelson–Morley được thiết kế để xác nhận điều này. Tuy nhiên, thí nghiệm Michelson–Morley đã không cho ra được kết quả kỳ vọng. Theo quan điểm về mô hình ête vào thời điểm đó, các kết quả thí nghiệm gây ra mâu thuẫn. Một mặt, hiện tượng quang sai, thí nghiệm Fizeau và các thực hiện lại bởi Michelson và Morley năm 1886 có vẻ phù hợp với tiên đoán của giả thuyết kéo ête bán phần. Mặt khác, thí nghiệm Michelson–Morley năm 1887 dường như cho thấy ête chuyển động cùng với Trái Đất, ủng hộ cho giả thuyết kéo ête toàn phần. Sự thành công của giả thuyết của Fresnel trong việc giải thích kết quả của thí nghiệm Fizeau, do đó, đã dẫn đến một khủng hoảng lý thuyết vật lý, kéo dài cho đến khi thuyết tương đối hẹp ra đời.