真空の波長が λ の単色光源を用いたマイケルソン干渉計がある。光源から出た光はハーフミラー(ビームスプリッター)で2つの経路に分割される。 経路1には固定された鏡 M1 があり、経路2には水平で滑らかな床の上に置かれた質量 M の可動鏡 M2 がある。この可動鏡 M2 は、ばね定数 k の軽いばねに接続されており、水平方向に単振動することができる。 さらに、可動鏡 M2 とそれが動く空間は、絶対屈折率 n の透明な液体で完全に満たされた細長い水槽の中にある。(ハーフミラーや固定鏡 M1 は空気中(屈折率 1)にあるものとする)。
初期状態において、可動鏡 M2 はばねの自然長の付近で静止しており、干渉計の検出器ではある明るさの干渉縞が観測されていた。 いま、質量 m の弾丸が速さ v0 で水平に飛来し、可動鏡 M2 の裏側に完全に命中して一体となった(完全非弾性衝突)。衝突の時間は極めて短く、衝突直後に M2(および弾丸)は速度 V を得て、液体の中で単振動を開始した。液体の抵抗力は無視できるものとする。
可動鏡 M2 が振動すると、経路2の光学的距離が連続的に変化し、検出器で観測される干渉縞の明暗が周期的に変化する(フリンジシフト)。 この単振動の過程において、検出器で観測される明暗の変化の周波数(1秒間に通過する干渉縞の数)が最大となるときの、その最大周波数 fmax を求めよ。 ただし、光の速さは弾丸や鏡の速さに比べて桁違いに大きく、鏡が動いている間のドップラー効果による波長変化は無視し、純粋な光路差の変化のみを考慮すればよい。
最大周波数 fmax の値を単位 MHz (メガヘルツ、106 Hz)で計算し、得られた値を 100 倍した値を回答せよ。