Эксперименты Рэлея и Брейса (1902, 1904) были направлены на то, чтобы показать, приводит ли сокращение длины к двойному лучепреломлению или нет. Это были одни из первых оптических экспериментов по измерению относительного движения Земли и светоносного эфира , которые были достаточно точными, чтобы обнаружить величины второго порядка до v/c. Результаты были отрицательными, что имело большое значение для развития преобразования Лоренца и, следовательно, теории относительности . См. также Тесты специальной теории относительности .
Для объяснения отрицательного результата эксперимента Майкельсона–Морли Джордж Фицджеральд (1889) и Хендрик Лоренц (1892) выдвинули гипотезу сокращения , согласно которой тело сокращается при движении через неподвижный эфир .
Лорд Рэлей (1902) интерпретировал это сокращение как механическое сжатие, которое должно приводить к оптической анизотропии материалов, поэтому разные показатели преломления будут вызывать двойное лучепреломление . Чтобы измерить этот эффект, он установил трубку длиной 76 см на вращающемся столе. Трубка была закрыта стеклом на концах и была заполнена бисульфидом углерода или водой, а жидкость находилась между двумя призмами Николя . Через жидкость свет (производимый электрической лампой и, что более важно, светом рампы ) посылался туда и сюда. Эксперимент был достаточно точным, чтобы измерить замедления 1/6000 половины длины волны , т.е. порядка1,2 × 10 −10 . В зависимости от направления относительно движения Земли ожидаемое замедление из-за двупреломления было порядка 10 −8 , что вполне соответствовало точности эксперимента. Таким образом, это был, помимо эксперимента Майкельсона–Морли и эксперимента Троутона–Нобла , один из немногих экспериментов, с помощью которого можно было обнаружить величины второго порядка по v/c. Однако результат был полностью отрицательным. Рэлей повторил эксперименты со слоями стеклянных пластин (хотя и с уменьшенной в 100 раз точностью) и снова получил отрицательный результат. [1]
Однако эти эксперименты подверглись критике со стороны ДеВитта Бристоля Брейса (1904). Он утверждал, что Рэлей не учел должным образом последствия сокращения (0,5 × 10−8 вместо10 −8 ), а также показателя преломления, так что результаты не были окончательными. Поэтому Брейс проводил эксперименты с гораздо большей точностью. Он использовал аппарат длиной 4,13 м, шириной 15 см и глубиной 27 см, который был заполнен водой и который мог вращаться (в зависимости от эксперимента) вокруг вертикальной или горизонтальной оси. Солнечный свет направлялся в воду через систему линз, зеркал и отражательных призм и отражался 7 раз, так что он проходил 28,5 м. Таким образом, замедление порядка7,8 × 10 −13 было наблюдаемым. Однако и Брейс получил отрицательный результат. Другая экспериментальная установка со стеклом вместо воды (точность:4,5 × 10 −11 ), также не дал никаких признаков двойного лучепреломления. [2]
Отсутствие двулучепреломления изначально интерпретировалось Брейсом как опровержение сокращения длины. Однако Лоренц (1904) и Джозеф Лармор (1904) показали , что когда гипотеза сокращения сохраняется и применяется полное преобразование Лоренца ( т. е. включая преобразование времени), то отрицательный результат может быть объяснен. Более того, если принцип относительности считается справедливым с самого начала, как в специальной теории относительности Альберта Эйнштейна (1905), то результат вполне ясен, поскольку наблюдатель, находящийся в равномерном поступательном движении, может считать себя находящимся в состоянии покоя и, следовательно, не будет испытывать никакого эффекта собственного движения. Таким образом, сокращение длины не может быть измерено сопутствующим наблюдателем и должно быть дополнено замедлением времени для несопутствующих наблюдателей, что впоследствии также было подтверждено экспериментом Траутона–Рэнкина (1908) и экспериментом Кеннеди–Торндайка (1932). [3] [4] [А 1] [А 2]