Галилей о конечности скорости света
Как в древности, так и в средние века считалось, что свет распространяется мгновенно. В 1623 году Галилей писал, что свет обладает мгновенным движением. Но в 1638 году в книге "Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению" читаем:
Но какого рода и какой степени быстроты должно быть это движение света? Должны ди мы считать его мгновенным или же совершающимся во времени, как все другие движения? Нельзя ли опытом убедиться, каково оно на самом деле?
...
Опыт, который я придумал, заключался 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 нд расстоянии нескольких локтей, участники начинают упражняться в закрывании и открывании своего огня на виду у компаньона таким образом, что как только один замечает свет другого, так тотчас же открывает и свой. После многократных повторений такого упражнения достигается такое соответствие, что открытию одного огня без чувствительной ошибки немедленно отвечает открытие другого, так как тот, кто открывает свой свет, видит в тот же миг появление света своего компаньона. После подобных упражнений на малом расстоянии два упомянутых компаньона помещаются вместе со своими огнями в расстоянии двух или трех миль друг от друга и, выждав ночи для производства опыта, начинают внимательно наблюдать, получается ли ответ на открытие и закрытие огня с тою же быстротою, что и на близком расстоянии; если получается, то можно с достоверностью Заключить, что распространение света происходит мгновенно; если бы для него требовалось время, то расстояние в три мили, пробегаемое светом от одного источника до глаза другого участника и обратно, было бы достаточным, чтобы обнаружить известное запоздание. Если бы пожелали производить наблюдения при еще большем расстоянии, хотя бы в восемь или десять миль, то можно было бы воспользоваться телескопами, поставив лиц, производящих опыт, в таких местах, где ночью зажигались бы огни, хотя и незаметные для простого глаза благодаря малой их величине, но открытие и закрытие которых могло бы быть удобно наблюдаемо при помощи телескопа.
...
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, почти мгновенно; я могу сравнить его с движением света молнии, который мы видим в облаках с расстояния в восемь-десять миль. Здесь мы различаем самый источник, начало и конец света в определенных местах тучи, хотя распространение света на все окружающее следует немедленно же. Это кажется мне доказательством того, что явление совершается с затратою времени, хотя и малою, потому что если бы свет молнии, возникал во всех частях сразу, а не постепенно, то, думается, мы не могли бы различить ее источника, центра ее сияния и разветвлений.
Цитируется по Галилео Галилей. Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению. — М.-Л.: ГИТТЛ, 1934. Перевод А.Н.Долгова.
Здесь следует отметить несколько моментов:
- К выводу о конечности скорости света Галилей пришел исходя из ошибочного предположения отождествив скорость распространения света со скоростью распространения электрического разряда.
- Неизвестно был ли на самом деле поставлен опыт самим Галилеем или он ограничился "мысленным экспериментом". Нет документального подтверждения. Но известно, что такой опыт был проведен последователями Галилея во Флорентийской Академии опытов и дал отрицательный результат.
- Неизвестно какими милями пользовался Галилей (существовало большое число единиц длины называемых "миля" от 580 до 11300 метров. Можно предположить, что итальянской (географической) милей длиной 7420 метров (1/15 градуса экватора).
В любом случае, хотя опыт Галилея при существующих тогда возможностях не мог быть успешен его заслуга состоит в том, что он сформулировал проблему и наметил пути ее решения.
Открытие же Галилеем спутников Юпитера и реализация его программы наблюдения их затмений с целью определения долготы на море привела к первому экспериментальному определению скорости света в 1676 году.
Олаф Кристенсен Рёмер и его измерение скорости света
До изобретения точного морского хронометра наиболее точным методом определения долготы был астрономический. После открытия Галилеем спутников Юпитера наиболее удобным для этой цели оказались наблюдения затмений Ио (ближайший к Юпитеру из Галилеевых спутников) как проходивших достаточно часто и регулярно. Для этой цели составлялись специальные таблицы затмений.
В 1671 году Жан Пикар и Олаф Рёмер наблюдали затмения Ио в датской обсерватории Ураниборг, после чего Олаф поехал в Париж и продолжил наблюдения в качестве помощника Джованни Доменико Кассини. Где и заметил, что время между затмениями становилось короче, когда Земля и Юпитер сближались и длиннее, когда удалялись. Ранее на это несоответствие обратил внимание и сам Кассини. Вначале они оба считали, что это происходит из-за конечности скорости света, но затем Кассини отказался от этой гипотезы, Рёмер же произвел необходимые расчеты и предсказал задержку затмения Ио 9 ноября 1676 года на 10 минут.
В статье "Доказательство, касающееся движения света" он писал
Необходимость этого нового уравнения для запаздывания света устанавливается всеми наблюдениями, которые были сделаны в Королевской Академии и в Обсерватории на протяжении восьми лет. Они были вновь подтверждены выступлением из тени первого спутника Юпитера, наблюдавшимся в Париже 9 ноября этого года в 5h35m45s вечера на 10 минут позже, чем следовало ожидать...
Но чтобы устранить всякие сомнения, что это неравенство вызвано запаздыванием света, он показывает, что оно не может происходить из-за какого-либо эксцентриситета или другой причины из тех, которые обычно приводят, чтобы объяснить нерегулярности в движении Луны и других планет.
Перевод С.Р.Филонович. Полный текст статьи в книге Голин Г.М., Филонович С.Р. "Классики физической науки" т.1. М., "Высшая школа" 1989.
Исходя из современных ему данных и точности измерения времени Рёмер определил, что диаметр земной орбиты свет проходит за 22 минуты, то есть скорость света составляет около 230 тысяч километров в секунду. Только в 1809 году Жан-Батист Жозеф Делямбр, также исходя из наблюдений затмений Ио, но с существенно большей точностью определил, что время необходимое свету для прохождения расстояния от Солнца до Земли составляет 8 минут 12 секунд, исходя из чего скорость света примерно равна 300 тысячам километров в секунду, что близко к значению принятому ныне.
Остальные мои статьи.