Эта удивительная история началась в 1856 году. Немецкие физики Вильгельм Вебер и Рудольф Кольрауш, как обычно, будничным серым днём проводили свой нехитрый досуг с помощью так полюбившейся им лейденской бутылки. И в какой-то момент учёным неожиданно удалось измерить отношение между абсолютными единицами электромагнитного и электростатического зарядов. В современных терминах это можно выразить как отношение между силой, с которой притягиваются два электростатических заряда по закону Кулона и силой, с которой притягиваются два параллельных электрических тока по закону Ампера.
Лейденская бутылка, как мы все знаем, это непростая бутылка. Нет. Она была «предком» электрического конденсатора. То есть первым устройством, позволявшим хранить электрические заряды.
Непонятная скорость
Величина, измеренная Вебером и Кольраушем, имела размерность длины, делённой на время. То есть это была скорость. И её численное значение было очень близко к скорости света, измеренной французским физиком Ипполитом Физо за пять лет до описываемых событий.
Вебер и Кольрауш мельком переглянулись и решили назвать эту скорость «с».
Несколько лет спустя, разрабатывая свои знаменитые уравнения электромагнетизма, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл узнал об вышеописанной работе. И предположил, что свет на самом деле представляет собой электромагнитную волну, движущуюся со скоростью «с», измеренную Вебером и Кольраушем.
В то время считалось, что электромагнитным волнам для распространения необходима материальная среда. Поэтому для объяснения процесса распространения света в вакууме было предложено существование некого «светоносного эфира», заполняющего всю Вселенную.
Однако высокое значение скорости света и тот факт, что существование этого эфира, по-видимому, не влияло на движение планет и их спутников, заставили придать ему невероятные механические свойства: эфир должен был быть прозрачной и «сплошной» жидкостью, чтобы заполнить собой всё пространство.
Согласно уравнениям Максвелла, значение скорости света в вакууме должно быть постоянным и равным «с», поэтому эфир должен находиться в покое и служить абсолютной системой отсчёта, так как любое его движение будет изменять скорость света в направлении этого движения.
И несколько экспериментов попытались измерить движение Земли относительно этого неподвижного эфира. Самый известный из этих экспериментов провели в 1887 году американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли. Установка для этого эксперимента, называемая интерферометром Майкельсона, позволяла направлять два луча света в перпендикулярных направлениях, чтобы они проходили одинаковое расстояние туда и обратно и встречались в общей точке. Любая разница в скоростях двух лучей стала бы доказательством того, что Земля движется относительно эфира. Поскольку скорость луча света, движущегося в том же направлении, что и Земля, должна измениться. В то время как скорость другого, перпендикулярного луча не изменится.
Во всех случаях, когда проводились эксперименты Майкельсона и Морли и им подобные, ни разу не удавалось измерить подобные изменения скорости света. Неудача эксперимента Майкельсона и Морли показала, что «светоносного эфира», как постулировалось, не существует.
Постоянство скорости света
Оценив результаты эксперимента Майкельсона и Морли, голландский физик Хендрик Лоренц предположил, что движение интерферометра вызывает сокращение длины самого прибора, которое компенсирует изменение скорости света. Позже французский математик Анри Пуанкаре пришел к выводу, что скорость света является непреодолимым пределом. Опираясь на эти идеи, в 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что скорость света в вакууме, измеренная инерциальным наблюдателем, то есть не подвергнутым ускорению, не зависит от относительного движения между источником света и наблюдателем. Так родилась специальная теория относительности. Это если говорить очень упрощённо.
И скорость света в вакууме стала константой природы.
В течение 20-го века проводились все более точные измерения значения скорости света. И в 1975 году Генеральная конференция по мерам и весам (международный орган, принимающий решения в области метрологии) рекомендовала использовать значение скорости света 299 792 458 м/с. И предложила научному сообществу подумать о возможном переопределении метра или секунды на основе этого значения. Тремя годами позже, в 1978 году, исследователи Вудс, Шоттон и Роули, используя стабилизированный гелий-неоновый лазер получили значение скорости света 299 792,45898 ± 0,0002 км/с.
В 1983 г. 17-я Генеральная конференция по мерам и весам решила изменить официальное определение метра, которое с тех пор представляет собой «длину пути, пройденную светом в вакууме за интервал времени в 1/299 792 458 секунд». Величина скорости света – универсальная константа, как показали эксперименты Майкельсона и Морли.
Именно поэтому мы можем основывать на ней все наши измерения пространства и времени.