В экспериментах участвует Вселенная
Метод, с помощью которого Леверье , покорил воображение ученых. За движением Нептуна стали тщательно следить и вскоре обнаружили столь значительные различия между наблюдаемой и теоретической орбитами нового светила, что это могло быть объяснено только существованием еще одной планеты, расположенной за Нептуном!
18 февраля 1930 года молодой астроном Клайд Томбо из Ловелловской обсерватории в Америке наконец обнаружил (на расстоянии, почти в три раза превышающем радиус орбиты Нептуна) новую планету Солнечной системы, получившую название Плутон . Томбо тем самым подтвердил расчеты известных астрономов-теоретиков ПерсиваляЛовелла и Вильяма Пикеринга.
Поистине, как сказал знаменитый французский оптик и астроном Франсуа Араго, «…умственные глаза могут заменять сильные телескопы…».
Больших планет Солнечной системы стало девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Между Марсом и Юпитером расположено большое число маленьких планет, получивших название астероидов. Однако астрономы продолжают искать новые планеты.
Теоретические прогнозы показали, что пока на перемещения небесных тел в Солнечной системе не влияет притяжение далеких звезд и других планетарных систем нашей галактики. Солнце должно «привлекать» к себе малые и большие планеты. Сила тяготения Солнца распространяется на расстояние в 200 тысяч раз большее, чем путь от Земли до Солнца!
Не может быть, чтобы в таком огромном пространстве не было плотных небесных тел, хотя пока поиски десятой планеты Солнечной системы с помощью самых мощных современных телескопов не увенчались успехом…
Как мы видим, небесная механика неизменно подтверждает законы земной механики, выведенные Ньютоном. Движение небесных тел, как выяснилось еще во времена Ньютона, позволяет не только проверить закон всемирного тяготения, но и дает в руки исследователей прекрасный способ определения скорости света .
Странно, что о таком способе не догадался Галилей, предлагавший для этой цели лишь опыт с фонарями. Два человека стоят на большом удалении друг от друга с фонарями в руках и отмечают время, за которое свет внезапно зажженного фонаря преодолеет расстояние между ними. Опыт, к сожалению, совершенно неосуществимый из-за слишком большой скорости света…
Как измерили скорость света?
В сентябре 1676 года молодой датчанин Олаф Рёмер , работавший в Парижской обсерватории, представил Французской Академии наук доклад, в котором описал, как, пользуясь вращением Земли вокруг Солнца, можно определить скорость света.
Рёмер при своих исследованиях наблюдал перемещение одного из спутников Юпитера. Время полного оборота спутника вокруг планеты было строго постоянным и хорошо известным астрономам. Рёмер заметил: если Земля при своем вращении вокруг Солнца находится в наиболее удаленной от Юпитера точке орбиты, то вхождение спутника в тень Юпитера астрономы наблюдают на 22 минуты позже, чем в тот момент, когда Земля находится к Юпитеру ближе всего. Рёмер догадался о причине странного явления - свету нужно 22 минуты, чтобы преодолеть расстояние от ближайшей до наиболее далекой от Юпитера точки орбиты Земли. Зная время, которое тратит на это свет, и вычислив диаметр орбиты Земли, мы легко можем определить скорость света!
Вероятно, это был один из первых в истории науки случаев, когда ученый пользовался Вселенной как гигантской естественной лабораторией…
Рёмер получил значения скорости света, которые раза в полтора меньше современных значений этой величины. Но за это вряд ли можно его упрекнуть: мы же знаем, какими приборами измерял время его великий современник Галилео Галилей.
Астрономический способ измерения скорости света широко использовался физиками в течение трех веков, прошедших после наблюдений и расчетов Рёмера. Сейчас общепринятым считается значение скорости света в вакууме, равное 299,79 тысячи километров в секунду.
В XIX веке научились определять скорость света на Земле. Высокого совершенства достиг в этих экспериментах американский физик Альберт Майкельсон. Его сложный массивный прибор со множеством зеркал, удлинявших путь света, был размещен на каменной плите площадью 1,5 м 2 и толщиной 30 см. Чтобы избежать малейших возможных сотрясений прибора, подставка для плиты была заполнена ртутью.
Майкельсон установил, что скорость света не зависит от направления луча, на распространение света не влияет вращение Земли. Исключительная тщательность опытов Майкельсона, достигнутая в начале XIX века высокая точность в определении истинного значения скорости света, быть может, натолкнула Альберта Эйнштейна на мысль считать скорость света в вакууме самой высокой скоростью, которая возможна в Природе. Эта мысль составляет один из важнейших постулатов созданной Эйнштейном теории относительности - наиболее общей современной теории движения, в которую законы Ньютона вошли как частный случай.
Скоростью света называют расстояние, которое свет проходит за единицу времени. Эта величина зависит от того, в каком веществе распространяется свет.
В вакууме скорость света равна 299 792 458 м/с. Это наивысшая скорость, которая может быть достигнута. При решении задач, не требующих особой точности, эту величину принимают равной 300 000 000 м/с. Предполагается, что со скоростью света в вакууме распространяются все виды электромагнитного излучения: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. Обозначают её буквой с .
Как определили скорость света
В античные времена учёные считали, что скорость света бесконечна. Позднее в учёной среде начались дискуссии по этому вопросу. Кеплер, Декарт и Ферма были согласны с мнением античных учёных. А Галилей и Гук полагали, что, хотя скорость света очень велика, всё-таки она имеет конечное значение.
Галилео Галилей
Одним из первых скорость света попытался измерить итальянский учёный Галилео Галилей. Во время эксперимента он и его помощник находились на разных холмах. Галилей открывал заслонку на своём фонаре. В тот момент, когда помощник видел этот свет, он должен был проделать те же действия со своим фонарём. Время, за которое свет проходил путь от Галилея до помощника и обратно, оказалось таким коротким, что Галилей понял, что скорость света очень велика, и на таком коротком расстоянии измерить её невозможно, так как свет распространяется практически мгновенно. А зафиксированное им время показывает всего лишь быстроту реакции человека.
Впервые скорость света удалось определить в 1676 г. датскому астроному Олафу Рёмеру с помощью астрономических расстояний. Наблюдая с помощью телескопа затмения спутника Юпитера Ио, он обнаружил, что по мере удаления Земли от Юпитера каждое последующее затмение наступает позже, чем было рассчитано. Максимальное запаздывание, когда Земля переходит на другую сторону от Солнца и удаляется от Юпитера на расстояние, равное диаметру земной орбиты, составляет 22 часа. Хотя в то время точный диаметр Земли не был известен, учёный разделил его приблизительную величину на 22 часа и получил значение около 220 000 км/с.
Олаф Рёмер
Результат, полученный Рёмером, вызвал недоверие у учёных. Но в 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора. В его опыте свет от источника проходил между зубьями вращающегося колеса и направлялся на зеркало. Отражённый от него, он возвращался назад. Скорость вращения колеса увеличивалась. Когда она достигала какого-то определённого значения, отражённый от зеркала луч задерживался переместившимся зубцом, и наблюдатель в этот момент ничего не видел.
Опыт Физо
Физо вычислил скорость света следующим образом. Свет проходит путь L от колеса до зеркала за время, равное t 1 = 2L/c . Время, за которое колесо делает поворот на ½ прорези, равно t 2 = T/2N , где Т - период вращения колеса, N - количество зубцов. Частота вращения v = 1/T . Момент, когда наблюдатель не видит света, наступает при t 1 = t 2 . Отсюда получаем формулу для определения скорости света:
с = 4LNv
Проведя вычисления по этой формуле, Физо определил, что с = 313 000 000 м/с. Этот результат был гораздо точнее.
Арман Ипполит Луи Физо
В 1838 г. французский физик и астроном Доминик Франсуа Жан Араго́ предложил использовать для вычисления скорости света метод вращающихся зеркал. Эту идею осуществил на практике французский физик, механик и астроном Жан Берна́р Лео́н Фуко́, получивший в 1862 г. значение скорости света (298 000 000±500 000) м/с.
Доминик Франсуа Жан Араго
В 1891 г. результат американского астронома Са́ймона Нью́кома оказался на порядок точнее результата Фуко. В результате его вычислений с = (99 810 000±50 000) м/с.
Исследования американского физика Альберта Абрахама Майкельсона, использовавшего установку с вращающимся восьмигранным зеркалом, позволили ещё точнее определить скорость света. В 1926 г. учёный измерил время, за которое свет проходил расстояние между вершинами двух гор, равное 35,4 км, и получил с = (299 796 000±4 000) м/с.
Наиболее точное измерение было проведено в 1975 г. В этом же году Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала считать скорость света, равной 299 792 458 ± 1,2 м/с.
От чего зависит скорость света
Скорость света в вакууме не зависит ни от системы отсчёта, ни от положения наблюдателя. Она остаётся постоянной величиной, равной 299 792 458 ± 1,2 м/с. Но в различных прозрачных средах эта скорость будет ниже его скорости в вакууме. Любая прозрачная среда имеет оптическую плотность. И чем она выше, тем с меньшей скоростью распространяется в ней свет. Так, например, скорость света в воздухе выше его скорости в воде, а в чистом оптическом стекле меньше, чем в воде.
Если свет переходит из менее плотной среды в более плотную, его скорость уменьшается. А если переход происходит из более плотной среды в менее плотную, то скорость, наоборот, увеличивается. Этим объясняется, почему световой луч отклоняется на границе перехода двух сред.
Бернард Джефф
1. Морской офицер измерил скорость света
Весной 1879 года газета «Нью-Йорк таймс» сообщала: «На научном горизонте Америки появилась новая яркая звезда. Младший лейтенант морской службы, выпускник Морской академии в Аннаполисе Альберт А. Майкельсон, которому нет еще двадцати семи лет, добился выдающегося успеха в области оптики: ой измерил скорость света». В редакционной статье, озаглавленной «Наука – народу», газета «Дейли трибюн» писала: «Местная газета Вирджиния-Сити, города рудокопов в далекой Неваде, с гордостью сообщает: "Младший лейтенант Альберт А. Майкельсон, сын Сэмюэля Майкельсона, владельца галантерейного магазина в нашем городе, привлек к себе внимание всей страны замечательным научным достижением: он измерил скорость света"».
О скорости света размышляли и спорили еще с древних времен, но до Майкельсона только троим ученым (все они были французы) удалось измерить ее с помощью земных средств. Это была очень старая и очень сложная проблема. До Майкельсона на американском континенте никто даже не пытался поставить этот трудный эксперимент.
Однако за предшествующие столетия философы и ученые накопили довольно обширный запас сведений о свойствах света. За 300 лет до нашей эры, в те дни, когда Евклид создал свою геометрию, греческие математики уже немало знали о свете. Было известно, что свет распространяется прямолинейно и что при отражении от плоского зеркала угол падения луча равен углу отражения. Древние ученые хорошо знали и явление преломления света. Заключается оно в том, что свет, переходя из одной среды, например воздуха, в среду иной плотности, например воду, преломляется.
Клавдий Птолемей, астроном и математик из Александрии, составил таблицы измеренных углов падения и преломления, но закон преломления света был открыт только в 1621 году голландским математиком из Лейдена Виллебрордом Снеллиусом, который обнаружил, что отношение синусов угла падения и угла преломления постоянно для любых двух сред разной плотности.
Многие древние философы, в том числе великий Аристотель и римский государственный деятель Луций Сенека, задумывались о причинах возникновения радуги. Аристотель считал, что цветовая гамма появляется в результате отражения света капельками воды; примерно того же мнения придерживался и Сенека, полагая, что облака, состоящие из частичек влаги, являются своего рода зеркалом. Так или иначе, человек на протяжении всей своей истории проявлял интерес к природе света, о чем свидетельствуют дошедшие до нас мифы, легенды, философские споры и научные наблюдения.
Как и большинство древних ученых (исключая Эмпедокла), Аристотель считал, что скорость света бесконечно велика. Было бы удивительно, если бы он думал иначе. Ведь столь огромную скорость невозможно было измерить ни одним из существовавших тогда методов или приборов. Но и в позднейшие времена ученые продолжали размышлять и спорить по этому поводу. Около 900 лет тому назад арабский ученый Авиценна выразил предположение, что, хотя скорость света и очень велика, она должна быть величиной конечной. Таково же было мнение одного из его современников, арабского физика Альгазена, который впервые объяснил природу сумерек. Ни тот, ни другой, разумеется, не имели возможности подтвердить свое мнение экспериментально.
Опыт Галилея
Такие споры могли продолжаться бесконечно. Чтобы решить вопрос, нужен был четкий, неопровержимый опыт. Первым на этот путь вступил поражающий разносторонностью своего гения итальянец Галилео Галилей. Он предложил, чтобы два человека, стоящие на вершинах холмов на расстоянии нескольких километров друг от друга, подавали сигналы с помощью фонарей, снабженных заслонками. Эту мысль, осуществленную впоследствии учеными Флорентийской академии, он высказал в своем труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящиеся к механике и местному движению» (опубликованном в Лейдене в 1638 году).
У Галилея разговаривают трое собеседников. Первый, Сагредо, спрашивает: «Но какого рода и какой степени быстроты должно быть это движение? Должны ли мы считать его мгновенным или же совершающимся во времени, как все другие движения?». Симпличио, ретроград, тут же отвечает: «Повседневный опыт показывает, что свет от пламени выстрелов без всякой потери времени запечатлевается в нашем глазу в противоположность звуку, который доходит до уха через значительный промежуток времени». Сагредо на это с полным основанием возражает: «Из этого общеизвестного опыта я не могу вывести никакого другого заключения, кроме того, что звук доходит до нашего слуха через большие промежутки времени, нежели свет».
Тут вмешивается Сальвиати (выражающий мнение Галилея): «Малая доказательность этих и других подобных же наблюдений заставила меня подумать о каком-либо способе удостовериться безошибочно в том, что освещение, т.е. распространение света, совершается действительно мгновенно. Опыт, который я придумал, заключается в следующем. Два лица держат каждый по огню, заключенному в фонаре или в чем-либо подобном, который можно открывать и закрывать движением руки на виду у компаньона; став друг против друга «на расстоянии нескольких локтей, участники начинают упражняться в закрывании и открывании огня на виду у компаньона таким образом, что как только один замечает свет другого, так тотчас же открывает и свой... Мне удалось произвести его лишь на малом расстоянии – менее одной мили, – почему я и не мог убедиться, действительно ли появление противоположного света совершается внезапно. Но если оно происходит и не внезапно, то, во всяком случае, с чрезвычайной быстротой».
Имевшиеся тогда в распоряжении Галилея средства, конечно, не позволяли так просто решить этот вопрос, и он вполне отдавал себе в этом отчет. Споры продолжались. Роберт Бойль, знаменитый ирландский ученый, давший первое правильное определение химического элемента, считал, что скорость света конечна, а другой гений XVII века, Роберт Гук, полагал, что скорость света слишком велика, чтобы ее можно было определить экспериментально. С другой стороны, астроном Иоганн Кеплер и математик Рене Декарт придерживались точки зрения Аристотеля.
Рёмер и спутник Юпитера
Первая брешь в этой стене была пробита в 1676 году. Произошло это в известной, мере случайно. Теоретическая проблема, как это не раз случалось в истории науки, была разрешена в ходе осуществления чисто практической задачи. Нужды расширяющейся торговли и возрастающее значение мореплавания побудили французскую Академию наук заняться уточнением географических карт, для чего, в частности, требовался более надежный способ определения географической долготы. Долгота определяется довольно простым способом – по разнице во времени в двух разных точках земного шара, но тогда еще не умели делать достаточно точные часы. Ученые предложили использовать для определения парижского времени и времени на борту корабля какое-нибудь небесное явление, наблюдающееся ежедневно в один и тот же час. По этому явлению мореплаватель или географ мог бы поставить свои часы и узнать парижское время. Таким явлением, видимым с любого места на море или на суше, является затмение одного из четырех больших спутников Юпитера, обнаруженных Галилеем в 1609 году.
Среди ученых, занимавшихся этим вопросом, был молодой датский астроном Оле Рёмер, за четыре года до того приглашенный французским астрономом Жаном Пикаром на работу в новой парижской обсерватории.
Как и другие астрономы того времени, Рёмер знал, что период между двумя затмениями ближайшего к Юпитеру спутника изменяется в течение года; наблюдения из одного и того же пункта, отделенные сроком в полгода, дают максимальную разницу в 1320 секунд. Эти 1320 секунд были загадкой для астрономов, и никто не мог найти им удовлетворительное объяснение. Казалось, существовала какая-то зависимость между периодом обращения спутника и положением Земли на орбите относительно Юпитера. И вот Рёмер, обстоятельно проверив все эти наблюдения и расчеты, неожиданно просто решил загадку.
Рёмер допустил, что 1320 секунд (или 22 минуты) – это то время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от ближайшего к Юпитеру положения Земли на орбите до положения, наиболее отдаленного от Юпитера, где Земля оказывается через полгода. Иными словами, дополнительное расстояние, которое проходит свет, отраженный от спутника Юпитера, равно диаметру орбиты Земли (рис. 1).
Рис. 1.
Схема рассуждений Рёмера.
Период обращения ближайшего к Юпитеру спутника равен приблизительно 42,5 часа. Поэтому спутник должен был заслоняться Юпитером (или выходить из полосы затмения) каждые 42,5 часа. Но в течение полугода, когда Земля удаляется от Юпитера, затмения наблюдались каждый раз со все большим запаздыванием по сравнению с предсказанными сроками. Рёмер пришел к выводу, что свет распространяется не мгновенно, а имеет конечную скорость; поэтому ему требуется все больше времени для достижения Земли, по мере того как она, двигаясь по орбите вокруг Солнца, удаляется от Юпитера.
Во времена Рёмера диаметр орбиты Земли считался равным примерно 182 000 000 миль (292 000 000 км). Разделив это расстояние на 1320 секунд, Рёмер получил, что скорость света равна 138 000 миль (222 000 км) в секунду.
На первый взгляд может показаться, что получить числовой результат с такой погрешностью (почти в 80 000 км в секунду) не велика заслуга. Но вдумайтесь, чего все-таки достиг Рёмер. Впервые за всю историю человечества было доказано, что движение, считавшееся бесконечно быстрым, доступно познанию и измерению.
Мало того, с первой же попытки Рёмер получил величину правильного порядка. Если же принять во внимание, что ученые до сих пор занимаются уточнением диаметра орбиты Земли и сроков затмения спутников Юпитера, то ошибка Рёмера не будет вызывать удивления. Теперь мы знаем, что максимальное запаздывание затмения спутника равно не 22 минутам, как думал Рёмер, а примерно 16 минутам 36 секундам, а диаметр орбиты Земли приближенно равен не 292 000 000 км, а 300 000 000 км. Если внести эти поправки в расчет Рёмера, получается, что скорость света равна 300 000 км в секунду, а этот результат близок к самой точной цифре, полученной учеными нашего времени.
Основное требование, которое предъявляется к хорошей гипотезе, – это чтобы на ее основе можно было делать правильные предсказания. Исходя из вычисленной им скорости света, Рёмер смог за несколько месяцев вперед точно предсказать некоторые затмения. Например, в сентябре 1676 года он предсказал, что в ноябре спутник Юпитера появится примерно с десятиминутным опозданием. Крошечный спутник не подвел Рёмера и появился в предсказанное время с точностью до одной секунды. Но парижских философов не убедило даже это подтверждение теории Рёмера. Однако Исаак Ньютон и великий голландский астроном и физик Христиан Гюйгенс выступили в поддержку датчанина. А некоторое время спустя, в январе 1729 года, английский астроном Джемс Брадлей несколько иным путем пришел к тому же выводу, что и Рёмер. Сомнениям не оставалось места. Рёмер навсегда положил конец бытовавшему среди ученых убеждению, что свет распространяется мгновенно независимо от расстояния.
Рёмер доказал, что, хотя скорость света и очень велика, она тем не менее конечна и может быть измерена. Однако, отдавая должное достижению Рёмера, некоторые ученые все же не были вполне удовлетворены. Измерение скорости света по его методу основывалось на астрономических наблюдениях и требовало длительного времени. Им же хотелось провести измерение в лаборатории чисто земными средствами, не выходя за пределы нашей планеты, так, чтобы все условия опыта находились под контролем. Сумел же французский физик Марен Марсенн, современник и друг Декарта, тридцать пять лет назад измерить скорость звука. Почему нельзя то же самое проделать и со светом?
Первое измерение земными средствами
Однако разрешения этой проблемы пришлось ждать почти два столетия. В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо придумал довольно простой способ. На рис. 2 показана упрощенная схема его установки. Физо направлял из источника световой луч в зеркало В , затем этот луч отражался на зеркало А . Одно зеркало было установлено в Сюрен, в доме отца Физо, а другое – на Монмартре в Париже; расстояние между зеркалами составляло приблизительно 8,66 км. Между зеркалами А и В помещалось зубчатое колесо, которое можно было вращать с заданной скоростью (принцип стробоскопа). Зубцы вращавшегося колеса прерывали световой луч, разбивая его на импульсы. Таким образом посылалась цепь коротких вспышек.
Рис. 2.
Установка Физо.
Через 174 года после того, как Рёмер вычислил скорость света из наблюдений затмений спутника Юпитера, Физо сконструировал устройство для измерения скорости света в земных условиях. Зубчатое колесо C
разбивало луч света на вспышки. Физо измерил время, за которое свет проходил расстояние от C
до зеркала A
и обратно, равное 17,32 км. Слабостью этого метода было то, что момент наибольшей яркости света определялся наблюдателем на глаз. Такие субъективные наблюдения недостаточно точны.
Когда зубчатое колесо было неподвижно и находилось в первоначальном положении, наблюдатель мог видеть свет от источника сквозь промежуток между двумя зубцами. Затем колесо приводилось в движение со все возрастающей скоростью, и наступал такой момент, когда световой импульс, пройдя через промежуток между зубцами, возвращался, отразившись от зеркала A , и задерживался зубцом. В этом случае наблюдатель ничего не видел. При дальнейшем ускорении вращения зубчатого колеса свет снова появлялся, становился все ярче и, наконец, достигал максимальной интенсивности. На зубчатом колесе, использованном Физо, было 720 зубцов, а максимальной интенсивности свет достигал при 25 оборотах в секунду. На основании этих данных Физо следующим образом вычислил скорость света. Свет проходит расстояние между зеркалами и обратно за то время, пока колесо повернется от одного промежутка между зубцами до другого, т.е. за 1 / 25 × 1 / 720 , что составляет 1 / 18000 секунды. Пройденное расстояние равно удвоенному расстоянию между зеркалами, т.е. 17,32 км. Отсюда скорость света равна 17,32 · 18 000, или около 312 000 км в секунду.
Усовершенствование Фуко
Когда Физо объявил о результате своего измерения, ученые усомнились в достоверности этой колоссальной цифры, согласно которой свет доходит от Солнца до Земли за 8 минут и может облететь Землю за восьмую долю секунды. Казалось невероятным, чтобы человек смог измерить столь огромную скорость такими примитивными инструментами. Свет проходит восемь с лишним километров между зеркалами Физо за 1 / 36000 секунды? Невозможно, говорили многие. Однако цифра, полученная Физо, была весьма близка к результату Рёмера. Вряд ли это могло быть простым совпадением.
Тринадцать лет спустя, когда скептики все еще продолжали сомневаться и отпускать иронические замечания, Жан Бернар Леон Фуко, сын парижского издателя, одно время готовившийся стать врачом, определил скорость света несколько иным способом. Он несколько лет проработал вместе с Физо и много размышлял над тем, как усовершенствовать его опыт. Вместо зубчатого колеса Фуко применил вращающееся зеркало.
Рис. 3.
Установка Фуко.
После некоторых усовершенствований Майкельсон использовал это устройство для определения скорости света. В этом устройстве зубчатое колесо (см. рис. 2) заменено вращающимся плоским зеркалом C
. Если зеркало C
неподвижно или очень медленно поворачивается, свет отражается на полупрозрачное зеркало B
по направлению, указанному сплошной линией. Когда зеркало быстро вращается, отраженный луч смещается в положение, обозначенное пунктирной линией. Глядя в окуляр, наблюдатель мог измерить смещение луча. Это измерение давало ему удвоенную величину угла α, т.е. угла поворота зеркала за то время, пока луч света шел от C
к вогнутому зеркалу A
и обратно к C
. Зная скорость вращения зеркала C
, расстояние от A
до C
и угол поворота зеркала C
за это время, можно было вычислить скорость света.
Фуко пользовался репутацией талантливого исследователя. В 1855 году ему была присуждена коплейская медаль Английского Королевского общества за его опыт с маятником, явившийся доказательством вращения Земли вокруг оси. Он построил также первый гироскоп, годный для практического использования. Замена в опыте Физо зубчатого колеса вращающимся зеркалом (такая идея была предложена еще в 1842 году Доминико Араго, но не была осуществлена) дала возможность сократить путь, проходимый световым лучом, с 8 с лишним километров до 20 м. Вращающееся зеркало (рис. 3) отклоняло обратный луч под небольшим углом, что позволяло провести необходимые измерения для вычисления скорости света. Результат, полученный Фуко, был 298 000 км/сек, т.е. примерно на 17 000 км меньше значения, полученного Физо. (В другом опыте Фуко поместил между отражающим и вращающимся зеркалами трубу с водой, чтобы определить скорость распространения света в воде. Оказалось, что скорость распространения света в воздухе больше.)
Через десять лет Мари Альфред Корню, профессор экспериментальной физики в Парижской Высшей политехнической школе, снова вернулся к зубчатому колесу, но оно имело уже 200 зубцов. Результат Корню был близок к предыдущему. Он получил цифру 300 000 км в секунду. Так обстояло дело в 1872 году, когда молодого Майкельсона, слушателя последнего курса Морской академии в Аннаполисе, на экзамене по оптике попросили рассказать об аппарате Фуко для измерения скорости света. Никому тогда и в голову не приходило, что в учебниках физики, по которым будут учиться будущие поколения студентов, Майкельсону будет отведено гораздо больше места, чем Физо или Фуко.
Скорость света в вакууме
- абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике обозначается латинской буквой c
.
Скорость света в вакууме - фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта
.
По определению она составляет ровно 299 792 458 м/с (приближенное значение 300 тыс. км/c)
.
Согласно специальной теории относительности, является максимальной скоростью для распространения любых физических взаимодействий, передающих энергию и информацию
.
Как определили скорость света
Впервые скорость света определил в 1676 О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера.
В 1728 её установил Дж. Брадлей , исходя из своих наблюдений аберрации света звёзд.
В 1849 А. И. Л. Физо
первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы); т. к. показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину, весьма близкую к с.
В опыте Физо пучок света от источника S, отражённый полупрозрачным зеркалом N, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском W, проходил базу MN (ок. 8 км) и, отразившись от зеркала М, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр Е. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение с = 313300 км/с.
В 1862 Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 идею Д. Араго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся (512 об/с) зеркало. Отражаясь от зеркала, пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на это же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего в 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 29800080 ± 500 км/с. Схемы и основные идеи опытов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению с.
В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.
Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.
Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки. Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.
Эксперимент Физо
Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.
Результаты Физо
Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.
Эксперимент Фуко
В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.
Финальный аккорд в измерениях скорости света.
Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.
Loading...