レイリーとブレースの実験

レイリー卿とデウィット・ブリストル・ブレイス（1902年、1904年）の実験は、長さの収縮が複屈折を引き起こすかどうかを示すことを目的としていました。これらは、地球と光伝導エーテルの相対運動を測定した最初の光学実験の一つであり、 v/cの2次の振幅を検出できるほどの精度を有していました。結果は否定的であり、これはローレンツ変換、ひいては相対性理論の発展にとって非常に重要でした。特殊相対性理論の検証も参照してください。

説明

マイケルソン・モーリーの実験の否定的な結果を説明するために、ジョージ・フィッツジェラルド(1889) とヘンドリック・ローレンツ(1892) は、物体が静止したエーテル中を運動する際に収縮するという収縮仮説を提唱しました。

レイリー卿（1902）は、この収縮を機械的圧縮と解釈し、それが物質の光学異方性をもたらし、異なる屈折率が複屈折を引き起こすと考えた。この効果を測定するために、彼は回転台の上に長さ76cmの管を設置した。管の両端はガラスで閉じられ、二硫化炭素または水で満たされ、液体は2つのニコルプリズムの間に置かれた。液体を通して、光（電球、そしてより重要なのはライムライトによって生成された光）が往復した。この実験は、⁠1/6000⁠半波長の、すなわち、1.2 × 10 ⁻¹⁰。地球の運動に対する方向に依存するが、複屈折による遅延は10 ⁻⁸オーダーと予想され、これは実験精度の範囲内であった。したがって、マイケルソン・モーリーの実験とトラウトン・ノーブルの実験と並んで、v/cの2次の振幅を検出できる数少ない実験の一つであった。しかし、結果は完全に否定的であった。レイリーはガラス板を重ねて実験を繰り返したが（精度は100分の1に低下したが）、再び否定的な結果を得た。^{[ 1 ]}

しかし、これらの実験はデウィット・ブリストル・ブレイス（1904）によって批判された。彼は、レイリーが収縮の影響を適切に考慮していなかったと主張した（0.5 × 10 ⁻⁸の代わりに10 ⁻⁸）と屈折率の差が大きかったため、決定的な結果は得られなかった。そこでブレイスは、はるかに高精度な実験を行った。彼は長さ4.13メートル、幅15センチ、深さ27センチの装置を用いた。この装置は水で満たされており、実験に応じて垂直軸または水平軸を中心に回転することができた。太陽光はレンズ、鏡、反射プリズムのシステムを通して水中に導かれ、7回反射して28.5メートルを移動した。このようにして、秩序ある遅延が得られた。7.8 × 10 ⁻¹³が観測されました。しかし、ブレースも否定的な結果を得ました。水の代わりにガラスを使用した別の実験装置（精度：4.5 × 10 ⁻¹¹）でも複屈折の兆候は見られなかった。^{[ 2 ]}

複屈折がないことは、当初ブレースによって長さの収縮の反証と解釈された。しかし、ローレンツ (1904) とジョセフ・ラーモア(1904) によって、収縮仮説が維持され、完全なローレンツ変換 (つまり時間変換を含む) が採用されると、否定的な結果を説明できることが示された。さらに、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論(1905) のように、相対性原理が最初から有効であると考えられる場合、結果は非常に明確である。なぜなら、等速並進運動をしている観測者は、自分自身を静止していると見なすことができ、その結果、自身の運動の影響をまったく受けないからである。したがって、長さの収縮は共動観測者によっては測定できず、共動しない観測者の場合は時間の遅れによって補わなければならない。これはその後、トラウトン・ランキンの実験(1908) とケネディ・ソーンダイクの実験(1932)によっても確認された。^{[ 3 ] [ 4 ] [ A 1 ] [ A 2 ]}

参照

• 特殊相対性理論の歴史

一次資料

1. レイリー卿(1902). 「エーテルを介した運動は二重屈折を引き起こすか？」 『哲学雑誌』4 : 678–683 . doi : 10.1080/14786440209462891 .
2. ブレース、デウィット・ブリストル(1904). 「エーテル中を移動する物質の二重屈折について」  .哲学雑誌. 7 (40): 317– 329. doi : 10.1080/14786440409463122 .
3. ローレンツ、ヘンドリック・アントーン（1904）、「光速未満の速度で運動する系における電磁気現象」 、オランダ王立芸術科学アカデミー紀要、6：809-831
4. ラーモア、ジョセフ(1904). 「エーテルを介した運動の効果の不在の確認、物質の構成との関係、そしてフィッツジェラルド＝ローレンツ仮説について」(PDF) .哲学雑誌. 7 (42): 621– 625. doi : 10.1080/14786440409463156 .

二次資料

1. ラウブ、ヤコブ(1910)。 「相対性理論の実験を行う」。Jahrbuch der Radioaktivität および Elektronik。7 : 405–463 .
2. ウィテカー、エドマンド・テイラー(1910). 『エーテルと電気の理論の歴史』（第1巻、アウスガベ編集）ダブリン: ロングマン・グリーン社.