Каждый кто не прогуливал уроки физики в школе, знает, что свет распространяется с конечной скоростью, которая равна чуть меньше, чем 300 000 км/с. Однако знали это люди не всегда. В этой статье мы расскажем о том, как люди смогли понять, что свет распространяется не мгновенно и как смогли точно измерить эту скорость.
Как измерять скорость света?
Учёные древнего мира и средних веков считали, что свет распространяется мгновенно. Аристотель, бывший для средневековых учёных непререкаемым авторитетом считал, что скорость света бесконечно велика. Ему вторили его многочисленные последователи. Первым учёным, который решил проверить так ли это на самом деле был Галилео Галилей.
В 1600-м году он поставил опыт, при котором два человека стоя на удалённых друг от друга возвышенностях будут поочерёдно светить друг другу фонарями со специальными заслонками. На основании этого опыта Галилей пришел к выводу, что скорость света либо бесконечна, либо очень высока и не поддается измерению с помощью приборов того времени.
Еще долгое время учёные никак не могли подступиться к проблеме измерения скорости света. Некоторые учёные считали скорость света бесконечной (Иоганн Кеплер, Рене Декарт, Пеьер де Ферма), некоторые — конечной, но слишком большой для измерения экспериментально (Роберт Бойль, Роберт Гук).
Который час?
Открытие конечности скорости света было сделано во многом случайно, как побочный результат решения совсем другой задачи. В эпоху великих географических открытий для успешной навигации в океане для моряков крайне важно было уметь определять географические координаты корабля и если с определением широты особых проблем не было: широта довольно точно определялась по положению полярной звезды над горизонтом, то с долготой вышла заминка.
Для определения долготы необходимо знать местное время и сравнить его со временем на нулевом меридиане и с этим были проблемы. Сейчас не составляет труда взять с собой часы, время которых совпадает с Гринвичем, но в те времена это было затруднительно. Маятниковые часы на корабле из-за качки мгновенно приходили в негодность и выходя в море моряки теряли возможность сравнивать своё время с Гринвичем.
Проблема была настолько актуальна, что британский парламент учредил небывалый по тем временам приз в 20 000 фунтов стерлингов. С учётом инфляции сейчас эта сумма составила бы около полутора миллионов фунтов стерлингов.
Астрономия спешит на помощь
Естественным решением для этой задачи было использование для определения широты астрономических явлений, точное время возникновения которых по Гринвичу точно известно и не зависит от местного времени. Первым кандидатом на роль такого явления стали лунные затмения. Но точный момент лунного затмения довольно сложно определить в полевых условиях, из-за растянутости затмения во времени, а кроме того случались затмения достаточно редко и этот метод не годился для каждодневного использования.
Галилео Галилей предложил использовать наблюдение за затмениями спутников Юпитера, в частности Ио, которое происходит в среднем чуть чаще, чем раз в 2 дня. Метод Галилея предполагал составление астрономами таблиц, с указанием точного времени затмений Ио на долгое время вперёд. Затем моряки должны были наблюдать в телескоп затмение Ио и по таблицам определять точное время по Гринвичу.
Но на практике этот метод давал большую погрешность и долго не могли понять почему. Проблемой занялся датско-французский астроном Олаф Рёмер. Он первым обратил внимание, что моменты затмений не всегда соответствуют табличным. Так, когда Земля и Юпитер находятся близко друг к другу — затмения случаются раньше табличного времени и наоборот — когда Земля и Юпитер находятся на максимальном удалении друг от друга — затмения опаздывают и случаются позже нужного времени.
Посвятив несколько лет наблюдениям Рёмер выявил точную закономерность и пришел к единственно возможному выводу: скорость, с которой свет, отраженный спутниками Юпитера достигает Земли является конечной. На основании своих наблюдений в 1676-м году Рёмер рассчитал скорость света равной 230 000 километров в секунду. Всего на 23% меньше реального значения. Поразительный результат, учитывая то, насколько примитивные инструменты и наблюдательные приборы были в распоряжении Рёмера!
В 1726-м году британский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света и сумел более точно вычислить скорость света — 308 000 км/c, погрешность составила всего на 0.4%. В дальнейшем эксперименты Армана Физо (1849) с зубчатым колесом, а также Леона Фуко (1862) и Альберта Майкельсона (1926) с вращающимся зеркалом помогли получить значение скорости света практически не отличающееся от известного современной науке: 299 796 км/c.
Авторы: к.т.н. Петров А.В., астрофизик Карасенко Ф.В.
Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!