Experiência de Fizeau

Figura 1. Aparelho usado no experimento Fizeau

A Experiência de Fizeau ou o experimento Fizeau foi realizado por Hippolyte Fizeau em 1851 para medir as velocidades relativas da luz na água em movimento. Fizeau usou um arranjo especial de interferômetro para medir o efeito do movimento de um meio sobre a velocidade da luz.

De acordo com as teorias prevalecentes na época, a luz viajando através de um meio em movimento seria arrastada pelo meio, de modo que a velocidade medida da luz seria uma simples soma de sua velocidade através do meio mais a velocidade do meio. Fizeau de fato detectou um efeito de arrasto, mas a magnitude do efeito que observou foi muito menor do que o esperado. Quando ele repetiu o experimento com ar no lugar de água, não observou nenhum efeito. Seus resultados aparentemente apoiaram a hipótese de arrasto éter parcial de Fresnel, uma situação que foi desconcertante para a maioria dos físicos. Mais de meio século se passou antes que uma explicação satisfatória da medição inesperada de Fizeau fosse desenvolvida com o advento de Teoria da relatividade especial de Albert Einstein. Einstein posteriormente apontou a importância do experimento para a relatividade especial, em que corresponde à fórmula relativística de adição de velocidade quando restrito a pequenas velocidades.

Embora seja conhecido como o experimento Fizeau, Fizeau foi um experimentador ativo que realizou uma ampla variedade de experimentos diferentes envolvendo a medição da velocidade da luz em várias situações.

Configuração experimental

Figura 2. Representação altamente simplificada do experimento de Fizeau.

Figura 3. Configuração do interferômetro no experimento Fizeau (1851)

Uma representação altamente simplificada do experimento de Fizeau de 1851 é apresentada na Fig. 2. A luz que entra é dividida em dois feixes por um divisor de feixe (BS) e passa por duas colunas de água fluindo em direções opostas. Os dois feixes são então recombinados para formar um padrão de interferência que pode ser interpretado por um observador.

O arranjo simplificado ilustrado na Fig. 2 teria exigido o uso de luz monocromática, o que teria permitido apenas franjas escuras. Por causa do curto comprimento de coerência da luz branca, o uso de luz branca teria exigido que os caminhos ópticos correspondessem a um grau impraticável de precisão, e o aparelho seria extremamente sensível à vibração, mudanças de movimento e efeitos de temperatura.Por outro lado, o aparelho real de Fizeau, ilustrado nas Fig. 3 e Fig. 4, foi configurado como um interferômetro de caminho comum . Isso garantiu que os feixes opostos passassem por caminhos equivalentes, de modo que as franjas se formassem prontamente, mesmo ao usar o sol como fonte de luz.

O duplo trânsito da luz tinha o propósito de aumentar a distância percorrida no meio em movimento e, além disso, compensar inteiramente qualquer diferença acidental de temperatura ou pressão entre os dois tubos, da qual poderia resultar um deslocamento das franjas, o que seria ser misturado com o deslocamento que o movimento sozinho teria produzido; e assim tornou a observação dele incerta.

Figura 4. Configuração do Experimento Fizeau (1851)

Um raio de luz que emana da fonte S' é reflectida por um divisor de feixe L e é colimada num feixe paralelo pela lente L. Depois de passar pelas fendas O₁ e O₂ , dois raios de luz viajam pelos tubos A₁ e A₂, através dos quais a água flui para a frente e para trás, conforme mostrado pelas setas. Os raios refletem em um espelho m no foco da lente L′, de modo que um raio sempre se propaga na mesma direção que o fluxo de água e o outro raio oposto à direção do fluxo de água. Depois de passar para a frente e para trás pelos tubos, os dois raios se unem em S, onde produzem franjas de interferência que podem ser visualizadas pela ocular ilustrada. O padrão de interferência pode ser analisado para determinar a velocidade da luz viajando ao longo de cada perna do tubo.