Usuari:Mcapdevila/Interferòmetre de Fizeau

Interferòmetre de Fizeau.

En retrospectiva, que viatja històricament a l'època preenisteniana, observem que no només els físics defensors de la naturalesa ondulatòria de la llum creia en l'existència del èter còsmic, sinó que també ho creien aquells pertanyents a les altres branques de la física, atès que l'èter explicava algunes propietats tèrmiques, de manera molt semblant, com en l'actualitat, ho fan els fonons, segons el que exposen els físics russos , Isaac Kikoin i Abraham Kikoin, en indicar que el moviment molecular tèrmic està condicionat a la presència o absència del fonó. De manera que per al zero absolut els fonons no estan presents, i que, amb l'augment de la temperatura creix el seu nombre, però no en forma lineal sinó que, per a temperatures baixes, ho fa proporcionalment al cub de la temperatura.

Els textos d'estudi d'aquesta època deien sobre això: « Segons modernes teories, els cossos estan formats per dues matèries: una, que podem veure, tocar o tot i que es diu ponderable, i una altra que, per ser tan subtil, no pot ser apreciada pels nostres sentits i que rep el nom d'èter. L'èter, és doncs un fluid invisible i impalpable que és a tot arreu, fins i tot a l'interior dels cossos. La calor en el nostre cos és degut a vibracions de l'èter, que tenen com a causa una reacció química: la combustió que es produeix en el nostre interior en posar-se en contacte l'oxigen de l'aire que respirem amb les substàncies carbòniques del nostre organisme . ».

Teoria de l'èter

En efecte, quan la física encara no havia passat el llindar de la Teoria de la Relativitat, ni menys encara, el corresponent a la Mecànica quàntica, es podia llegir a la Enciclopèdia Britànica , un article de Maxwell, respecte de l'existència de l'èter que deia així:

« No hi pot haver dubte que els espais interplanetaris i interestel·lars estan ocupats per una substància o cos material, que és certament el més gran, de tots els cossos que tinguem notícia. »

Substància proposta per Maxwell, que avui, en molt ínfima part podria ser semblant a la matèria fosca, ja que es tracta d'una "matèria hipotètica" de composició desconeguda, que no emet o reflecteix prou radiació electromagnètica per a ser observada directament amb els mitjans tècnics actuals però l'existència pot "inferir" a partir dels efectes gravitacionals que causa en la matèria visible. La "matèria fosca" constitueix la gran majoria de la massa existent en el Univers observable.

L'èter, també constituïa el mitjà a través del qual es propagaven les ones lluminoses en l'espai. Postulat al qual, el físic francès Jean B. Foucault s'adheria, ja que ell l'any 1850 va demostrar que la velocitat de propagació de la llum era menor en un medi més dens, d'on va deduir que la llum no podria ser corpuscular com - anteriorment - ho havia proposat Newton, sinó que, al seu enterdre va suggerir que la naturalesa de la llum havia de ser necessàriament de caràcter ondulatori.

William Pepperell Montague, ens relata que l'espai preinstenià era estàtic i infinit en totes direccions, però la seva sorprenent grandesa quedava compensada per la seva simplicitat. A més, estava ple d'una substància immòbil, invisible i contínua, anomenada èter, que conduïa les ones lluminoses d'estrella a estrella i d'àtom a àtom, i a través d'aquest pacífic oceà nedaven tots els cossos com peixos. Se suposava que amb experiments adequats es podria descobrir la direcció i la velocitat amb què es movia el nostre planeta i tot el sistema solar respecte a l'èter immòbil. Naturalment, en aquest espai euclidià no només hi havia matèria i energia, sinó també el temps infinit, que era independent de l'espai i de la natura encara més simple. De fet, aquest temps antic era tan simple i evident que no calia parlar d'ell. Quan dos cossos s'atreien mútuament fins a xocar, s'allunyaven per rebot, però no tan de pressa com s'havien reunit. Alguna part del seu moviment o energia passava primer a les partícules que els componien i després a l'èter que els envoltava, on es dissipava en forma d'ona de llum o de calor radiant. El resultat final era el que es podia esperar: el desenllaç d'un relat en el qual tota la matèria s'hauria de concentrar en un munt inert i l'energia degradada en forma de radiació s'estendria per sempre a través del mar sense ribes de l'èter buit. Semblava que el vell món corria cap a la seva fi.

Visions contràries

La comunitat científica d'aquella època estava dividia en dues confraries: una seguidora de la hipòtesi que l'èter era arrossegat per l'atmosfera de la Terra, i l'altra seguidora de la hipòtesi que l'èter romania immòbil en l'espai. (Monitor pàgina 5164).

Si eventualment era correcta l'estructura teòrica de la segona hipòtesi, llavors era de suposar que tot l'espai era ple d'«èter còsmic immòbil», dins del qual, i respecte del qual, tots els cossos es movien. Acceptar aquesta suposició és inferir « que la velocitat de la llum havia de ser diferent segons es mogués cap a la font del seu origen o en sentit oposat » (Monitor pàgina 2462).

L'any 1851, Fizeau va presentar el seu interferòmetre a la comunitat científica, el que permetia experimentar - a través d'una analogia - amb les dues alternatives proposades pels físics d'aquella època, és a dir, visualitzar la situació en presència d'un succedani de l'"èter còsmic immòbil", a través del qual es desplaçava la Terra, i també amb un reemplaçament de l'"èter còsmic mòbil", que era arrossegat per l'atmosfera terrestre.

Fizeau, va concloure que per a l'observador situat en el sistema de referència (la Terra), la situació s'invertia donada la perspectiva de l'observador, ja que per aquest, l'"èter còsmic mòbil", en desplaçar-se a la mateixa velocitat que l'observador, aquest el visualitzaria com un «èter atmosfèric immòbil», i al còsmic immòbil ho veuria com «èter atmosfèric mòbil». Va ser en aquestes condicions que en el seu interferòmetre Fizeau reemplaçà «l'èter còsmic immòbil» per aigua en circulació, i a l'«èter còsmic mòbil» per aigua en repòs.

Fizeau considerà que:

$\left(\,\,\,M\,\,\,\right)$ = És la font que subministra la llum.

$\left(\,\,\,S_{1},\,S_{2},\,S_{3},\,S_{4}\,\right)$ = Són semimiralls.

$\left(\,\,\,T_{1},\,T_{2}\,\,\,\right)$ = Són dues parts idèntiques d'un tubs de vidre transparent contenint aigua, la qual pot estar en moviment o en repòs.

$\left(\,\,\,V\,\,\,\right)$ = Velocitat de l'aigua Δ $\,V\,\,\,$ , a l'interior del tub.

$\left(\,\,\,C\,\,\,\right)$ = Velocitat de la llum a l'aigua .

En l'experiment de Fizeau, el raig de llum inicia el seu camí partint des de la font lluminosa $\,\,\,M\,\,\,$, en direcció al primer semimirall $\,\,\,S\,_{1}\,\,$ el qual s'encarrega, no només de dividir el raig en dues porcions $\,\,\,A\,\,\,$ i $\,\,\,B\,\,\,$, sinó que, al mateix temps s'encarrega d'enviar en angle recte, un respecte de l'altre.

La porció $\,\,\,A\,\,\,$ del raig de llum subdividit viatja a través del tub $\,\,\,T\,_{1}\,\,$ per al semimirall $\,\,\,S\,_{3}\,\,$ per després seguir la seva trajectòria a través de l'aire per al semimirall $\,\,\,S\,_{4}\,\,$.

L'altra porció $\,\,\,B\,\,\,$ del llamp en qüestió, ho fa per l'aire per al semimirall $\,\,\,S\,_{2}\,\,$, per a després fer-ho a través del tub $\,\,\,T\,_{2}\,\,$ amb destinació el semimirall $\,\,\,S\,_{4}\,\,$.

A partir del semimirall $\,\,\,S\,_{4}\,\,$, les porcions $\,\,\,A\,\,\,$ i $\,\,\,B\,\,\,$, viatjaran en paral·lel i amb destinació a l'observador.

Cada porció del raig de llum subdividit recorre idèntica distància, i en la seva trajectòria travessa la mateixa porció d'aire, vidre i aigua. En efecte, tot i que l'aigua estigui en repòs o en moviment, totes dues porcions de raigs recorren la mateixa distància.

Quan - dins dels tubs - l'aigua es troba en repòs respecte al marc de referència de l'observador, les dues porcions del raig de llum subdividit $\,\,\,A\,\,\,$ i $\,\,\,B\,\,\,$ arriben simultàniament i en fase fins l'observador $\left(\,\,\,C-0\,\,\,\right)$ i $\left(\,\,\,C+0\,\,\,\right)$, atès que amb l'aigua en repòs la seva velocitat $\,\,\,V=0\,\,\,$, pel que fa al marc de referència de l'observador.

No obstant això, quan es fa circular aigua a l'interior de tots dos tubs les porció de raigs arriben desfasades l'observador, atès que la velocitat de la porció $\,\,\,A\,\,\,$ del raig de llum es frena $\left(\,\,\,C-V\,\,\,\right)$ i la porció $\,\,\,B\,\,\,$ s'accelera $\left(\,\,\,C+V\,\,\,\right)$, complint així el «Principi de Addició de velocitats de Galileu », ja que en aquest cas s'addiciona de manera algebraica la velocitat de la llum $\,\,\,C\,\,\,$ amb la de l'aigua $\,\,\,V\,\,\,$, ja que segons el citat principi de Galileu, la velocitat d'un objecte es mesura en relació a un sistema de referència donat.

A l'interferòmetre de Fizeau es van observar dos efectes:

• El primer, amb l'aigua en repòs, no es van observar franges d'interferències, considerant que en aquest cas, l'aigua, l'interferòmetre, l'observador, etc., Es troben dins del mateix sistema de referència.

En efecte, per a aquest cas no hi ha desplaçament de les franges d'interferències i s'obté un resultat semblant al que va lliurar l'interferòmetre de Michelson i Morley, atès que vectorialment parlant no hi ha res a afegir a la velocitat de la llum.

Però això no és nou. Va ser Galileu que al "Diàleg dei Massimi sistemi", va exposar el que avui es coneix com "PRINCIPI DE Relats de GALILEU": «Tanqueu-vos amb algun amic en la major habitació que hagi sota coberta en algun gran vaixell i procureu tenir-hi mosques, papallones i alguns animals voladors d'aquest tipus; disposeu també d'un gran recipient amb aigua i amb petits peixos dins del mateix ... i, mentre la nau es troba parada, observeu acuradament com aquells animalets que volen amb la mateixa velocitat es dirigeixen cap a les diferents parts de l'habitació, es podrà apreciar que els peixos neden indiferentment en tots els sentits ... Un cop observades acuradament totes aquestes coses, tot i que no hi hagi cap dubte de que mentre la nau està quieta ha de succeir així, féu moure el navili amb la velocitat que es vulgui i (sempre que el moviment sigui uniforme i no fluctua d'una banda a un altre) no reconeixereu el mínim canvi en tots aquells efectes esmentats, ni per cap d'ells podreu saber si la nau camina o està parada. »

En abstracte es pot afirmar que, en tots els sistemes de referència amb moviment relatiu uniforme entre sí, a una velocitat qualsevol, les lleis de la mecànica tenen exactament la mateixa forma, o, més encara, que és impossible observar el moviment relatiu uniforme d'un sistema respecte a un altre situat al mateix sistema de referència. Segons Resnick (pàgina 24) « En general, cap experiment efectuat totalment dins d'un sistema inercial, pot indicar l'observador quin és el moviment d'aquest sistema respecte a qualsevol altre sistema inercial »

En efecte, qualsevol experiment serà totalment inútil si no es té en consideració l'advertència lliurada per Fizeau, com ho explica clarament el matemàtic cubà Aurelio Baldor:

« Si al mateix temps, el minuend i el subtrahend augmenta un mateix nombre, EL RESULTAT NO DIVERSES".  »

$\,\,\,C\,\,+\,\,V\,\,-\,\,V\,\,=\,\,C\,\,\,$

ΔN = ${\frac {t_{1}-t_{2}}{T}}={\frac {L_{1}+L_{2}}{v_{1}T}}x{\frac {(v_{2}^{2}-v_{3}^{2})}{v_{1}^{2}}}={\frac {L_{1}+L_{2}}{\lambda }}x{\frac {(v_{2}^{2}-v_{3}^{2})}{v_{1}^{2}}}={0,0}$

• El segon, amb aigua en moviment, s'observen franges d'interferència atès que el sistema de referència de l'aigua és diferent al de l'observador, el que era més o menys coincident en un gran grau de precisió amb la teoria d'un èter, on l'aigua feia d'aquell èter.

Per a aquest segon cas hi ha desplaçament de les franges d'interferències, representatiu del desplaçament de l'aigua.

Interferòmetre de Michelson-Morley

En el cas del interferòmetre de Michelson-Morley de l'any 1881, dins dels tubs, en lloc d'aigua utilitzà aire, però un aire que sempre està en repòs respecte de l'observador i de l'interferòmetre, i com és sabut que la llum es propaga per l'aire, llavors amb èter o sense èter mai es podrien detectar franges d'interferències ja que « En general, cap experiment efectuat totalment dins d'un sistema inercial, pot indicar l'observador quin és el moviment d'aquest sistema respecte a qualsevol altre sistema inercial  ». En aquestes condicions els seus detractors sostenen que per causa de l'aire en repòs present en l'instrument , la velocitat i el temps emprat per ambdós feixos de llum a recórrer els dos braços de l'interferòmetre, sempre serà el mateix, tot i que una de les porcions del raig de llum subdividit es desplaci - anada i tornada - amb un angle igual de 90 º, i l'altre, a l'anada viatge amb un angle de 0 º i després torneu amb un angle de 180 º), considerant - segons els opositors a la interpretació dels resultats provinents de L'analogia usada per Michelson i Morley (es refereix a dos vaixells, un riu i un observador) - es degués aplicar la següent fórmula matemàtica, perquè ella reflectiria amb més precisió la realitat:

Tant per ' t com per t = ${\frac {L}{\sqrt {v_{1}^{2}-(v_{2}^{2}-v_{3}^{2})}}}$

• Llavors, per a aquests detractors, les franges d'interferència estaria donat per la següent fórmula:

ΔN = ${\frac {t_{1}-t_{2}}{T}}={\frac {L_{1}+L_{2}}{v_{1}T}}x{\frac {(v_{2}^{2}-v_{3}^{2})}{v_{1}^{2}}}={\frac {L_{1}+L_{2}}{\lambda }}x{\frac {(v_{2}^{2}-v_{3}^{2})}{v_{1}^{2}}}={0,0}$

I afegeixen, que és totalment incorrecta la interpretació assignada al resultat que va lliurar l'experiment realitzat per Michelson i Morley, a sostenir-se en un postulat equivocat i en un interferòmetre que mai podria demostrar el que aquells buscaven, llevat, demostrar que és obvi, això és que $\,\,\,C\,\,+\,\,V\,\,-\,\,V\,\,=\,\,C\,\,\,$ En efecte, si l'aire atmosfèric és el mitjà en el qual es desplaça la llum, llavors qualsevol que sigui la direcció en què s'enviï el raig de llum i després torneu, la velocitat de la llum en l'aire sempre serà la mateixa per a l'observador terrestre, i així ho demostraré els interferòmetres. Això precisament perquè el medi, l'instrument i l'observador es trobaven situat en el mateix sistema de referència: el nostre planeta Terra !

Per tant, si els feixos de llum van viatjar per l'aire, és incorrecte utilitzar la velocitat de la llum en el buit c , ja que, en aquest cas s'ha d'usar la velocitat de la llum en l'aire v . On, per l'observador terrestre:

1. $\,{v_{1}}$ = velocitat de la llum en l'aire.
2. $\,{v_{2}}$ = velocitat del planeta Terra.
3. $\,{v_{3}}$ = velocitat de l'instrument.

${\frac {(v_{2}^{2}-v_{3}^{2})}{v_{1}^{2}}}={0,0}$

En aquestes condicions, la velocitat de la llum, en el medi "aire", sempre serà la mateixa, sigui quina sigui la direcció i sentit en el qual, els feixos de llum, es desplacin a cada braç de l'interferòmetre, el que impedeix detectar la suposada "variació de velocitat" que Michelson i Morley equivocadament van suposar podrien mesurar amb el seu instrument. En aquest experiment, la llum, va viatjar per l'aire adossat a la Terra, i no pel Èter, que a aquells investigadors els permetria visualitzar l'addició de velocitats, o la diferència de velocitat que la llum tindria en cada braç l'interferòmetre.

En conseqüència: Es compleix o no el predit per Galileu al "PRINCIPI DE Relats de GALILEU", en les "LLEIS DE TRANSFORMACIÓ DE GALILEU", i en el "Principi de Addició de velocitats de Galileu "?

Segons PEPPERELL, la enginyosa hipòtesi de Lorentz i Fitzgerald, peca de certa desavantatge metodològica, ja que suposa una acció de l'èter sobre la matèria, contracció que és invocada ad hoc per justificar la seva pròpia dificultat de trobar la resposta correcta als resultats negatius de l'experiment de Michelson i Morley. Malgrat el molt atractiva que és aquesta hipòtesi, no creiem que sigui veritable. En un món Lorentz, en què el moviment seria absolut, el mateix èter que escurça els espais dels cossos que es mouen, només en la direcció unidimensional del moviment.

En general la velocitat de les ones que travessen qualsevol mitjà depenen totalment de l'estructura del mitjà, de la seva densitat i de la seva elasticitat, i no de la velocitat del cos que les envia, per tant, si les ones lluminoses de mouen a través del aire atmosfèric terrestre, hem d'esperar que les ones de llum es comportin com les altres ones. Llavors, les ones lluminoses que viatjaven per ambdós braços de l'interferòmetre de Michelson i Morley, en haver desplaçat per l'aire atmosfèric (arrossegat pel planeta), no ho van fer ni per l'èter immòbil ni pel mòbil, el que explicaria els resultats negatius l'experiment realitzat per Michelson i Morley. Aquega Montague, per tal motiu són exactament el que eren d'esperar, no hi ha en ells misteri, ni hi ha necessitat de subjectar la nostra mecànica newtoniana tradicional a la reforma Lorentz ni a la revolució einsteniana.

Vegeu també

• Teoria de la gravitació de Le Sage
• Dilatació del temps i contracció de la longitud
• El·lipsi
• Anamorfosi
• Analogia de Michelson-Morley
• Experiment de Michelson-Morley
• Interferòmetre de Michelson