Гіпотеза захоплення ефіру

В 1810 Франсуа Араго зрозумів, що варіації індексу рефракції речовини, які передбачає корпускулярна теорія, дають корисний метод для вимірювання швидкості світла. Ці передбачення виникли тому, що індекс рефракції (в російськомовній літературі — "показник заломлення" [4]) речовини (наприклад, скла) залежить від відношення швидкості світла в повітрі та в склі. Араго спробував виміряти величину рефракції корпускул світла за допомогою скляної призми, розташованої фронтально до окуляра телескопа. Він думав, що в різний час протягом доби чи року буде спостерігати набір різних кутів рефракції, які зумовлені різними швидкостями зір та рухом Землі. Проте Араго виявив, що рефракція зір не залежить від часу доби чи сезону. Єдине, що спостерігав Араго, була звичайна аберація світла[5]. В 1818 Огюстен Жан Френель перевірив експериментальні результати Араго, використовуючи хвильову теорію світла. Він зрозумів, що навіть якщо світло розповсюджувалося як хвиля, індекс рефракції для поверхні розділу «повітря—скло» мав змінюватися, коли скло рухається через ефір для протидії налітаючій хвилі з різними швидкостями, коли Земля обертається, чи змінюються сезони. Френель припустив, що скляна призма буде частково переносити ефір разом з собою, так що «…ефір буде в надлишку всередині призми»[6]. Він зрозумів, що швидкість розповсюдження хвиль залежить від густини середовища, так що швидкість світла в призмі вимушено підстроюється на деяку величину 'захоплення' ('drag'). Швидкість світла ${\displaystyle v_{n}}$ в склі без підстройки задається виразом:

${\displaystyle v_{n}={\frac {c}{n}}}$

Захоплююча підстройка ${\displaystyle v_{d}}$ задається:

${\displaystyle v_{d}=v(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}})}$

де ${\displaystyle \rho _{e}}$ — густина ефіру в середовищі, ${\displaystyle \rho _{g}}$ — густина ефіру в склі, а ${\displaystyle v}$ — швидкість призми по відношенню до ефіру. Фактор ${\displaystyle (1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}})}$ може бути записана як ${\displaystyle (1-{\frac {1}{n^{2}}})}$, оскільки індекс рефракції n буде залежним від густини ефіру. Він відомий також, як коефіцієнт захоплення (drag) Френеля. Тоді швидкість світла в склі буде:

${\displaystyle V={\frac {c}{n}}+v(1-{\frac {1}{n^{2}}})}$

Ця корекція була успішна при поясненні нульового результату в експерименті Араго. Вона базується на концепції стаціонарного ефіру, що захоплюється такою речовиною як скло, але не повітрям. Успіх цього підходу знаменував чергову «перемогу» нової хвильової теорії світла над старою корпускулярною.

Для моделі ефіру Джорджа Стокса (1845) часткове захоплення ефіру не властиве. Тому Стокс припустив, що ефір повністю захоплюється поблизу тіла, яке рухається [10]. Герц (1890) використав модель повного захоплення Стокса в рамках теорії електромагнетизму Максвелла. При цьому був також використаний принцип відносності Галілея. Якщо припустити, що ефір разом з матеріальним об’єктом перебуває в спокої в одній системі відліку, тоді перетворення Галілея дають такий результат, що об'єкт та захоплений ефір рухаються з однаковою швидкістю і в іншій системі відліку[1].

Проблеми повного захоплення ефіру

Lodge's ether machine. Світло від чутливого інтерферометра регулюється між дисками, що швидко обертаються.

Повне захоплення ефіру може «пояснити» негативні результати майже всіх експериментів по захопленню ефіру (подібних до експерименту Майкельсона — Морлі). Проте ця теорія сьогодні вважається невідповідною спостереженням із наступних причин[1][11]:

• Експеримент Фізо (1851) показує тільки «часткове захоплення» світла.
• Ефект Саньяка показує, що два промені світла, від одного й того ж джерела світла, спрямовані в різні напрями платформи, що обертається, вимагають різного часу для повернення назад до джерела світла. Проте, якщо ефір повністю захоплюється платформою, то цього ефекту взагалі не може бути.
• Олівер Лодж провів безрезультатно експерименти в 1890-х по розповсюдженню світла поблизу великих мас, що обертаються навколо своєї осі, для з'ясування їх впливу (негативний результат)[12][13].

• Wikibooks: Special Relativity
• Resnick, Robert, Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory, 1972, John Wiley and Sons Inc.

• Mathpages: Stokes’ Mistake