Впервые скорость света определил в 1676 Оле Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутника Юпитера Ио.

С явлением света мы впервые знакомимся ещё в 9 классе. В 11-м начинаем рассматривать интереснейший материал о том, что такое скорость света.
Оказывается, история открытия этого явления не менее интересна, чем само явление.

Нужды торговли, которая развивалась быстрыми темпами, и возрастающее значение мореплавания побудили французскую Академию наук заняться уточнением географических карт, для чего, в частности, требовался более надежный способ определения географической долготы. Оле Ремер - молодой датский астроном - был приглашен работать в новую парижскую обсерваторию.

Ученые предложили использовать для определения парижского времени и времени на борту корабля небесное явление, наблюдаемое ежедневно в один и тот же час. По этому явлению мореплаватель или географ мог бы 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.

Спутник Ио проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками составил 42 часа 28 минут. Такие же измерения, проведенные полгода спустя, показали, что спутник опоздал, появившись из тени на 22 минуты позже по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио. Скорость имеет неточный результат из-за неверного определения времени запаздывания.

В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света. Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало 2 — на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса 12,6 об/с.

Свет от источника проходил через зубья вращающегося колеса и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому колесу. Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Используя метод вращающегося затвора, Физо получил значение скорости света: 3,14.105 км/с.

Весной 1879 года газета "Нью-Йорк Таймс" сообщила: "На научном горизонте Америки появилась новая яркая звезда. Младший лейтенант морской службы, выпускник Морской академии в Аннаполисе Альберт Майкельсон, которому еще нет и 27 лет, добился выдающегося успеха в области оптики: он измерил скорость света!" Примечателен тот факт, что на выпускных экзаменах в академии Альберту достался вопрос об измерении скорости света. Кто мог предположить, что через короткое время Майкельсон сам войдет в историю физики, как измеритель скорости света.

До Майкельсона только единицам (все они были французами) удалось измерить ее с помощью земных средств. А на американском континенте до него никто даже не пытался поставить этот трудный эксперимент.

Установка Майкельсона размещалась на двух горных вершинах, разделенных расстоянием 35,4 км. Зеркалом служила восьмигранная стальная призма на горе Сан Антонио в Калифорнии, сама установка находилась на горе Маунт-Вильсон. После отражения от призмы луч света попадал на систему зеркал, возвращающих его назад. Для того чтобы луч попадал в глаз наблюдателя, вращающаяся призма должна за время распространения света туда и обратно, успеть повернуться хотя бы на 1/8 оборота.

Майкельсон писал: "То, что скорость света - является категорией, недоступной человеческому воображению, и что с другой стороны ее возможно измерить с необыкновенной точностью, делает ее определение одной из самых увлекательных проблем, с которыми может столкнуться исследователь.
Наиболее точное измерение скорости света было получено в 1972 году американским ученым К. Ивенсоном с сотрудниками. В результате независимых измерений частоты и длины волны лазерного измерения ими было получено значение 299792456,2±0,2м/с.

Однако в 1983 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов было принято новое определение метра (это длина пути, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды), из которого следует что скорость света в вакууме абсолютно точно равна с=299 792 458 м/с.

1676 г. - Оле Ремер - астрономический метод
с= 2,22.108 м/с

1849г. - Луи Физо - лабораторный метод
с= 3,12.108 м/с

1879 г. Альберт Майкельсон - лабораторный метод
C= 3,001.108м/с

1983 г. Заседание Генеральной ассамблеи мер и весов
с=299792458 м/с

В давние времена многие ученые считали скорость света бесконечной. Итальянский физик Галилео Галилей был одним из первых, кто попробовал ее измерить.

Первые попытки

В начале XVII столетия Галилей предпринял эксперимент, состоявший в том, что два человека с прикрытыми фонарями стояли на известном расстоянии друг от друга. Один человек подавал свет, и как только другой его видел, он раскрыл свой собственный фонарь. Галилей попытался записывать время между вспышками, но затея оказалась неудачной по причине слишком малого расстояния. Скорость света не могла быть измерена таким способом.

В 1676 году датский астроном Оле Ремер стал первым человеком, доказавшим, что свет распространяется с конечной скоростью. Он изучал затмения спутников Юпитера и заметил, что они происходят раньше или позже, чем ожидалось по расчетам (раньше, когда Земля ближе к Юпитеру, и позже, когда Земля дальше). Румер логично предположил, что запаздывание обусловлено временем, необходимым на преодоление расстояния.

На современном этапе

В последующие столетия ряд ученых работал над определением скорости света с использованием усовершенствованных приборов, изобретая все более точные методы расчетов. Французский физик Ипполит Физо произвел в 1849 году первые неастрономические измерения. В использованной методике применено вращающееся зубчатое колесо, через которое пропускался свет, и система зеркал, расположенная на значительном удалении.

Более точные расчеты скорости сделаны в 1920-е годы. Эксперименты американского физика Альберта Майкельсона проходили в горах Южной Калифорнии с применением восьмигранного вращающегося зеркального аппарата. В 1983 году Международная комиссия по мерам и весам официально признала величину скорости света в вакууме, которую сегодня применяют при расчетах все ученые мира. Она составляет 299 792 458 м/с (186,282 миль/сек). Таким образом, за одну секунду свет преодолевает расстояние, равное экватору Земли 7,5 раз.

Измерение скорости света Рёмером - обнаруженное 7 декабря 1676 году доказательство конечности скорости света, то есть того, что свет не распространяется с бесконечной скоростью, как считалось ранее. Давайте посмотрим, как пытались измерить скорость света до и после Олафа Ремёра.

Скорость света (c) в вакууме не измерена. Она имеет точную фиксированную величину в стандартных единицах. По международному соглашению 1983 года метр определяется как длина пути, проходимая светом в вакууме за время 1/299792458 секунды. Скорость света в точности равна 299792458 м/с. Дюйм определён, как 2.54 сантиметра. Поэтому в неметрических единицах скорость света тоже имеет точное значение. Такое определение имеет смысл только потому, что скорость света в вакууме константа, а этот факт должен быть подтверждён экспериментально. Также экспериментально нужно определять скорость света в средах, таких как вода и воздух.

До семнадцатого века считалось, что свет распространяется мгновенно. Это подтверждали наблюдения лунного затмения. При конечной скорости света должна быть задержка между положением Земли относительно Луны и положением земной тени на поверхности Луны, но такой задержки не обнаружено. Сейчас мы знаем, что скорость света слишком велика, чтобы заметить задержку.

О скорости света размышляли и спорили еще с древних времен, но только троим учёным (все они были французы) удалось измерить ее с помощью земных средств. Это была очень старая и очень сложная проблема.

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?, 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.

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”».

Дата	Авторы	Метод	км/с	Погрешность
1676	Olaus Roemer	Спутники Юпитера	214 000
1726	James Bradley	Аберрация звёзд	301 000
1849	Armand Fizeau	Зубчатое колесо	315 000
1862	Leon Foucault	Вращающееся зеркало	298 000	± 500
1879	Albert Michelson	Вращающееся зеркало	299 910	± 50
1907	Rosa, Dorsay	ЭМ константы	299 788	± 30
1926	Albert Michelson	Вращающееся зеркало	299 796	± 4
1947	Essen, Gorden-Smith	Объёмный резонатор	299 792	± 3
1958	K.D.Froome	Радио интерферометр	299 792.5	± 0.1
1973	Evanson et al	Лазерный интерферометр	299 792.4574	± 0.001
1983	CGPM	Принятое значение	299 792.458	0

Philip Gibbs , 1997

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Просмотры: 162

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Скорость света и методы ее определения

План

Введение

1. Астрономические методы измерения скорости света

1.1 Метод Рёмера

1.2 Метод аберрации света

1.3 Метод прерываний (метод Физо)

1.4 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)

1.5 Метод Майкельсона

Введение

Скорость света - одна из наиболее важных физических констант, которые называют фундаментальными. Эта константа имеет особое значение как в теоретической, так и в экспериментальной физике и смежных с нею науках. Точное значение скорости света требуется знать в радио- и светолокации, при измерении расстояний от Земли до других планет, управлении спутниками и космическими кораблями. Определение скорости света наиболее важно для оптики, в частности, для оптики движущихся сред, и физики вообще. Познакомимся с методами определения скорости света.

1. Астрономические методы измерения скорости света

1.1 Метод Рёмера

Первые измерения скорости света были основаны на астрономических наблюдениях. Достоверное значение скорости света, близкое к современному ее значению, было получено впервые Рёмером в 1676 году при наблюдении затмений спутников планеты Юпитер.

Время прохождения светового сигнала от небесного светила до Земли зависит от дальности L расположения светила. Явление, происходящее на каком-то небесном теле, наблюдается с запаздыванием, равным времени прохождения света от светила до Земли:

где с - скорость света.

Если наблюдать какой-либо периодический процесс, происходящий в удаленной от Земли системе, то при неизменном расстоянии между Землей и системой наличие этого запаздывания не будет влиять на период наблюдаемого процесса. Если же за время периода Земля удалится от системы или приблизится к ней, то в первом случае окончание периода будет зарегистрировано с большим запаздыванием, чем его начало, что приведет к кажущемуся увеличению периода. Во втором случае, наоборот, окончание периода будет зафиксировано с меньшим запаздыванием, чем его начало, что приведет к кажущемуся уменьшению периода. В обоих случаях кажущееся изменение периода равно отношению разности расстояний между землей и системой в начале и конце периода к скорости света.

Изложенные соображения лежат в основе метода Рёмера.

Рёмер проводил наблюдения за спутником Ио, период обращения которого 42 ч 27 мин 33 с.

При движении Земли по участку орбиты Е 1 Е 2 Е 3 она удаляется от Юпитера и должно наблюдаться увеличение периода. При движении по участку Е 3 Е 4 Е 1 наблюдаемый период будет меньше истинного. Так как изменение одного периода мало (около 15 с), то эффект обнаруживается только при большом числе наблюдений, проводимых в течение длительного промежутка времени. Если например, наблюдать затмения в течение полугода, начиная с момента противостояния Земли (точка Е 1 ) до момента "соединения" (точка Е 3 ), то промежуток времени между первым и последним затмениями будет на 1320 с больше вычисленного теоретически. Теоретический расчет периода затмений проводился в точках орбиты, близких к противостоянию. Где расстояние между Землей и Юпитером практически не изменяется со временем.

Полученное расхождение можно объяснить только тем, что в течение полугода Земля перешла из точки Е 1 в точку Е 3 и свету приходится в конце полугодия проходить путь, больший, чем в начале, на величину отрезка Е 1 Е 3 , равного диаметру земной орбиты. Таким образом, незаметные для отдельного периода запаздывания накапливаются и образуют результирующее запаздывание. Величина запаздывания, определенная Рёмером, составляла 22 мин. Принимая диаметр орбиты Земли равным км, можно получить для скорости света значение 226000 км/с.

Значение скорости света, определенное на основании измерений Рёмера, оказалось меньше современного значения. Позже были выполнены более точные наблюдения затмений, в которых время запаздывания оказалось равным 16,5 мин, что соответствует скорости света 301000 км/с.

1.2 Метод аберрации света

свет скорость измерение астрономический

Для земного наблюдателя направление луча зрения на звезду будет неодинаковым, если это направление определять в разные времена года, то есть в зависимости от положения Земли на ее орбите. Если направление на какую-либо звезду определять с полугодовыми промежутками, то есть при положениях Земли на противоположных концах диаметра земной орбиты, то угол между полученными двумя направлениями называют годичным параллаксом (рис. .2). Чем дальше находится звезда, тем меньше ее параллактический угол. Измеряя параллактические углы различных звезд, можно определить расстояние этих звезд до нашей планеты.

В 1725-1728 гг. Брэдли (Bradley) Джеймс, английский астроном, измерил годичный параллакс неподвижных звезд. Наблюдая за одной из звезд в созвездии Дракона, он обнаружил, что ее положение менялось в течение года. За это время она описала небольшую окружность, угловые размеры которой были равны 40,9”. В общем случае в результате движения Земли по орбиту звезда описывает эллипс, большая ось которого имеет те же угловые размеры. Для звезд, лежащих в плоскости эклиптики, эллипс вырождается в прямую, а для звезд, лежащих у полюса - в окружность. (Эклиптикой называется большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца.)

Величина смещения, измеренная Брэдли, оказалась значительно больше ожидаемого параллактического смещения. Брэдли назвал это явление аберрацией света и объяснил его конечностью скорости света. За то короткое время, в течение которого свет, упавший на объектив телескопа, распространяется от объектива до окуляра, окуляр в результате движения Земли по орбите сдвигается на очень малый отрезок (рис. .3). Вследствие этого изображение звезды сместится на отрезок а . Направляя вновь телескоп на звезду, его придется несколько наклонить в направлении движения Земли, чтобы изображение звезды опять совпало с центром перекрестия нитей в окуляре.

Пусть угол наклона телескопа равен б. Обозначим время, необходимое свету для прохождения отрезка в , равного расстоянию от объектива телескопа до его окуляра, равно ф. Тогда отрезок, и

Из измерений Брэдли было известно, что при двух положениях Земли, лежащих на одном диаметре орбиты, звезда кажется смещенной от истинного положения на один и тот же угол. Угол между этими направлениями наблюдения, откуда, зная скорость Земли на орбите, можно найти скорость света. Брэдли получил с = 306000 км/с.

Следует отметить, что явление аберрации света связано с изменением направления скорости Земли в течение года. Объяснение этого явления базируется на корпускулярных представлениях о свете. Рассмотрение аберрации света с позиций волновой теории более сложно и связано с вопросом о влиянии движения Земли на распространение света.

Рёмером и Брэдли было показано, что скорость света конечна, хотя и имеет огромное значение. Для дальнейшего развития теории света важно было установить, от каких параметров зависит скорость света и как она изменяется при переходе света из одной среды в другую. Для этого необходимо было разработать методы измерения скорости света земных источников. Первые попытки таких экспериментов были предприняты в начале XIX века.

1.3 Метод прерываний (метод Физо)

Первый экспериментальный метод определения скорости света земных источников был разработан в 1449 г. французским физиком Арманом Ипполитом Луи Физо. Схема опыта представлена на рис. .4.

Свет, распространяющийся от источника s , частично отражается от полупрозрачной пластинки Р и направляется к зеркалу М . На пути луча располагается прерыватель света - зубчатое колесо К , ось которого ОО" параллельна лучу. Лучи света проходят через промежутки между зубьями, отражаются зеркалом М и направляются обратно через зубчатое колесо и пластинку Р к наблюдателю.

При медленном вращении колеса К свет, пройдя через промежуток между зубьями, успевает возвратиться через тот же промежуток и попадает в глаз наблюдателя. В те моменты, когда путь лучей пересекается зубцом, свет не попадает к наблюдателю. Таким образом, при малой угловой скорости наблюдатель воспринимает мелькающий свет. Если увеличить скорость вращения колеса, то при некотором значении свет, прошедший через один промежуток между зубьями, дойдя до зеркала и вернувшись обратно, не попадет в тот же самый промежуток d , а будут перекрыт зубцом, занявшим к этому моменту положение промежутка d . Следовательно, при угловой скорости в глаз наблюдателя свет совсем не будет попадать ни от промежутка d , ни от всех последующих (первое затемнение). Если взять число зубцов п , то время поворота колеса на ползубца равно

Время прохождения светом расстояния от колеса до зеркала М и обратно равно

где l - расстояние до колеса от зеркала (база). Приравнивая эти два интервала времени, получаем условие, при котором наступает первое затемнение:

откуда можно определить скорость света:

где - число оборотов в секунду.

В установке Физо база составляла 8,63 км, число зубцов в колесе 720 и первое затемнение наступило при частоте 12,6 об/с. Если увеличить скорость колеса вдвое, то будет наблюдаться просветленное поле зрения, при утроенной скорости вращения опять наступит затемнение и т.д. Вычисленное Физо значение скорости света 313300 км/с.

Основная трудность таких измерений заключается в точном установлении момента затемнения. Точность повышается как при увеличении базы, так и при скоростях прерываний, позволяющих наблюдать затемнения высших порядков. Так, Перротен в 1902 году провел измерения при длине базы 46 км и получил значение скорости света 29987050 км/с. Работа проводилась в условиях чрезвычайно чистого морского воздуха с использованием высококачественной оптики.

Вместо вращающегося колеса можно применять другие, более совершенные методы прерывания света, например, ячейку Керра, с использованием которой можно прерывать световой пучок 107 раз в секунду. При этом можно существенно сократить базу. Так, в установке Андерсона (1941 г.) с ячейкой Керра и фотоэлектрической регистрацией база составляла всего 3 м. Им получено значение с = 29977614 км/с.

1.4 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)

Метод определения скорости света, разработанный в 1862 году Фуко, можно отнести к первым лабораторным методам. Этим методом Фуко измерил скорость света в средах, для которых показатель преломления n >1 .

Схема установки Фуко приведена на рис. 5.

Свет от источника S проходит через полупрозрачную пластинку Р , линзу L и падает на плоское зеркало M 1, которое может вращаться вокруг своей оси О , перпендикулярной к плоскости чертежа. После отражения от зеркала M 1 луч света направляется на неподвижное вогнутое зеркало М 2 , расположенное так, чтобы этот луч всегда падал перпендикулярно к его поверхности и отражался по тому же пути на зеркало M 1 . Если зеркало M 1 неподвижно, то отраженный от него луч возвратится по своему первоначальному пути к пластинке Р , частично отражаясь от которой он даст изображение источника S в точке S 1 .

При вращении зеркала M 1 за время, пока свет проходит путь 2 l между обоими зеркалами и возвращается обратно (), вращающееся с угловой скоростью зеркало M 1 повернется на угол

и займет положение, показанное на рис. .5 пунктиром. Отраженный от зеркала луч по отношению к первоначальному будет повернут на угол и даст изображение источника в точке S 2 . Измерив расстояние S 1 S 2 и зная геометрию установки, можно определить угол и вычислить скорость света:

Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени прохождения светом расстояния 2 l . Это время оценивается по углу поворота зеркала M 1 , скорость вращения которого известна. Угол поворота определяется на основе измерений смещения S 1 S 2 . В опытах Фуко скорость вращения составляла 800 об/с, база l изменялась от 4 до 20 км. Было найдено значение с = 298000500 км/с.

Фуко на своей установке впервые измерил скорость света в воде. Поместив между зеркалами трубу, наполненную водой, Фуко обнаружил, что угол сдвига возрос в ѕ раза, а следовательно, рассчитанная по записанной выше формуле скорость распространения света в воде оказалась равной (3/4)с . Вычисленный по формулам волновой теории показатель преломления света в воде получился равным, что полностью соответствует закону Снеллиуса. Таким образом, на основе результатов этого эксперимента была подтверждена справедливость волновой теории света, и был закончен полутора вековой спор в ее пользу.

1.5 Метод Майкельсона

В 1926 году установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что расстояние, проходимое лучом от источника до его изображения после отражений от первой грани восьмигранной зеркальной призмы, зеркал М 2 - М 7 и пятой грани, составляло около 35,4 км. Скорость вращения призмы (приблизительно 528 об/с) выбиралась такой, чтобы за время распространения света от первой грани до пятой призма успевала повернуться на 1/8 оборота. Возможное смещение зайчика при неточно подобранной скорости играло роль поправки. Скорость света, определенная в этом опыте, оказалась равной 2997964 км/с.

Из других методов отметим выполненное в 1972 году измерение скорости света путем независимого определения длины волны и частоты света. Источником света служил гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение 3,39 мкм. При этом длина волны измерялась с помощью интерферометрического сравнения с эталоном длины оранжевого излучения криптона, а частота - с помощью радиотехнических методов. Скорость света

определенная этим методом, составила 299792,45620,001 км/с. Авторы метода считают, что достигнутая точность может быть повышена за счет улучшения воспроизводимости измерений эталонов длины и времени.

В заключение отметим, что при определении скорости света измеряется групповая скорость и , которая лишь для вакуума совпадает с фазовой.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Разделение четырехмерного пространства на физическое время и трехмерное пространство. Постоянство и изотропия скорости света, определение одновременности. Расчет эффекта Саньяка в предположении анизотропии скорости света. Изучение свойств NUT-параметра.

статья , добавлен 22.06.2015


Видимое излучение и теплопередача. Естественные, искусственные люминесцирующие и тепловые источники света. Отражение и преломление света. Тень, полутень и световой луч. Лунное и солнечное затмения. Поглощение энергии телами. Изменение скорости света.

презентация , добавлен 27.12.2011


Преобразование света при его падении на границу двух сред: отражение (рассеяние), пропускание (преломление), поглощение. Факторы изменения скорости света в веществах. Проявления поляризации и интерференции света. Интенсивность отраженного света.

презентация , добавлен 26.10.2013


Развитие представления о пространстве и времени. Парадигма научной фантастики. Принцип относительности и законы сохранения. Абсолютность скорости света. Парадокс замкнутых мировых линий. Замедление хода времени в зависимости от скорости движения.

реферат , добавлен 10.05.2009


Понятие дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсии. Классическая теория дисперсии. Зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты. Разложение белого света дифракционной решеткой. Различия в дифракционном и призматическом спектрах.

презентация , добавлен 02.03.2016


Устройство фотометрической головки. Световой поток и мощность источника света. Определение силы света, яркости. Принцип фотометрии. Сравнение освещенности двух поверхностей, создаваемой исследуемыми источниками света.

лабораторная работа , добавлен 07.03.2007


Основные принципы геометрической оптики. Изучение законов распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче. Астрономические и лабораторные методы измерения скорости света, рассмотрение законов его преломления.

презентация , добавлен 07.05.2012


Спектральные измерения интенсивности света. Исследование рассеяния света в магнитных коллоидах феррита кобальта и магнетита в керосине. Кривые уменьшения интенсивности рассеянного света со временем после выключения электрического и магнитного полей.

статья , добавлен 19.03.2007


Теоретические основы оптико-электронных приборов. Химическое действие света. Фотоэлектрический, магнитооптический, электрооптический эффекты света и их применение. Эффект Комптона. Эффект Рамана. Давление света. Химические действия света и его природа.

реферат , добавлен 02.11.2008


Волновая теория света и принцип Гюйгенса. Явление интерференции света как пространственного перераспределения энергии света при наложении световых волн. Когерентность и монохроматичных световых потоков. Волновые свойства света и понятие цуга волн.

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.