Каждый мало-мальски адекватный гражданин понимает, или просто интуитивно догадывается, что скорость света конечна. Хотя в быту нам кажется, что свет перемещается мгновенно. Зажгите спичку, свечу, лампочку, фонарик, зажигалку наконец. И Вы увидите, как свет сразу достигает самых дальних уголков вашей мрачной пещеры😉...
С самых древних времён мудрецы размышляли относительно конечности или бесконечности скорости света. Грек Эмпедокл, например, считал, что свет представляет собой нечто движущееся. И что ему требуется определённое время для того, чтобы преодолеть определённое расстояние. Аристотель же утверждал, что свет есть не движение, а присутствие.
Скорость света. Мысли древних
До опытов персидского физика Альгазена в 11 веке существовали две конкурирующие гипотезы о свете и человеческом зрении: согласно одной из них, зрение создаётся лучами, исходящими из глаз. Другая гипотеза предполагала, что именно лучи, достигающие глаз от объектов, позволяют нам их видеть.
В первом случае скорость «зрительных лучей» должна быть бесконечной, поскольку если мы откроем глаза ночью, то сразу же увидим звезды. Однако арабский учёные Альгазен, работавший в Каире, в своём труде Libro de Optica, опубликованном в 1201 году (!), показал своими экспериментами, что верна вторая гипотеза. И правильно предположил, что свет имеет конечную скорость, которая должна быть меньше в плотных телах.
В первой половине семнадцатого века были проведены некоторые эксперименты по измерению скорости света над поверхностью Земли. Однако из-за малых расстояний (чуть более километра) в их ходе не удалось получить никаких результатов.
В начале того же века определение географической долготы было серьёзной проблемой для навигации. Широту легко измерить: для этого достаточно наблюдать высоту над горизонтом Полярной звезды или другого известного небесного тела. Но для определения долготы нужно измерять время. А механические часы с необходимой точность были разработаны только в 18 веке. Ждать до 18 века было долго, поэтому Галилео Галилей предложил использовать спутники Юпитера в качестве часов. Ведь двигаясь по своим орбитам, они прячутся за планетой с потрясающе точными периодами!
Метод оказался непрактичным. Поскольку для того, чтобы увидеть спутники Юпитера, даже самые крупные, нужен был телескоп. По этой причине крестьянские семьи не приняли на вооружение метод определения времени по галилеевым спутникам. Поскольку, в отличие от нашего времени, телескопы в те времена были ещё не у всех сельских и городских жителей.
Однако предложение привело всё же к повышенному интересу к спутникам Юпитера среди части зажиточных граждан.
Что-то странное в небесах
Благодаря этим наблюдениям было обнаружено странное явление. Казалось, что спутники двигаются быстрее, когда Земля находится близко к Юпитеру. А когда две планеты удаляются друг от друга, они начинали двигаться медленнее. Что, согласно законам Кеплера, было невозможно.
Ситуация накалялась. Фондовые биржи лихорадило, а купцы и прочие прохиндеи бросились скупать золото. Начали циркулировать слухи, что Земля скоро налетит на небесную ось!
В 1676 году датский астроном Оле Рёмер решил прекратить все эти безобразия. В те времена он работал в Королевской обсерватории в Париже. Однажды утром он придумал объяснение наблюдающемуся странному эффекту. Рёмер заявил, что так происходит из-за конечной скорости света. И чем дальше Юпитер находится от Земли, тем больше времени требуется для того, чтобы его изображение достигло наших глаз. Вот и всё.
Согласно расчётам Рёмера, свету требовалось около двадцати двух минут, чтобы пройти диаметр орбиты Земли. В 1690 году голландец Христиан Гюйгенс объединил этот результат со своей эпохальной оценкой расстояния от Земли до Солнца, и получил значение скорости света в 220 000 000 метров в секунду. Что всего на 27% меньше правильного значения – 299 792 458 метров в секунду.
Но результаты Рёмера не убедили научное сообщество. Кассини, начальник Рёмера в Королевской обсерватории в Париже, и Гук в Англии возражали против такой высокой конечной скорости и защищали (ошибочно) бесконечность скорости света!
Ошибка параллакса
Более точные данные появились лишь в 1725 году, когда была обнаружена аберрация света. Английский астроном Джеймс Брэдли попытался вычислить расстояние до звёзд, измерив их положение в два разных времени года. То есть, по сути, применив метод параллакса.
Такое измерение производилось, когда Земля находилась в противоположных точках своей орбиты. И точное определение вариации видимого положения звезды на небе позволяло, с помощью элементарной тригонометрии, построить треугольник и, следовательно, вычислить расстояние от Земли до нужной звезды. Такие измерения проводились с 16 века. Однако смещения, измеренные в разных точках земной орбиты, не соответствовали тем, которые можно было ожидать от параллакса.
Брэдли с помощью члена парламента и астронома-любителя Сэмюэля Молинье обнаружил, что видимое положение звёзд претерпевает смещение, которое зависит только от составляющей орбитальной скорости Земли, поперечной свету звезды. И это смещение, которое может достигать 20 угловых секунд (то есть 1/180º), не зависит от расстояния до звезды.
Аберрация света возможна только в том случае, если его скорость конечна. Если говорить проще, эффект представляет собой композицию двух перпендикулярных скоростей. Аналогичное явление наблюдается при беге или поездке на машине под дождём. Чем больше скорость, с которой мы движемся, тем больше кажущийся наклон капель дождя при их падении.
Брэдли определил, что скорость света в 10 210 раз больше скорости Земли на её орбите, то есть чуть более 300 000 километров в секунду. Что очень близко к сегодняшнему значению.
Креативный Ипполит
В 1849 году французский физик Ипполит Физо весьма остроумным способом произвёл первое измерение скорости света, не прибегая к астрономическим явлениям. В своём эксперименте он направил луч света на зеркало, расположенное на холме Монмартр (Париж), с холма, находящегося на расстоянии 8 633 метра. Зеркало возвращало свет наблюдателю, но на его пути было размещено вращающееся зубчатое колесо, так что свет мог проходить через вырезы, но прерывался зубцами.
Когда колесо вращалось медленно, возвращающийся свет наблюдался прерывисто. При более высоких скоростях наступает момент, когда глаза уже не могли наблюдать мигание, и свет казался непрерывным. Физо заметил, что когда колесо достигло частоты вращения 12,6 оборотов в секунду, света больше не было видно. Поскольку луч света, проходивший через выемку на выходе, встречался с зубом на обратном пути.
Таким образом Физо смог определить время, за которое свет проходит путь от зубчатого колеса до зеркала и обратно. И измерил его скорость: 315 000 км/с. Ошибка всего в 5%. И это просто впечатляющий результат для доступных в то время средств измерений!
И другие умные парни
В 1868 году французский физик Леон Фуко усовершенствовал эксперимент, заменив зубчатое колесо вращающимся зеркалом. Он получил значение скорости света в 298 000 км/с.
В 1878 г. американский физик Альберт Майкельсон с помощью прибора, подобного прибору Фуко, получил значение 300 140 ± 480 км/с. Впервые истинное значение содержалось в диапазоне ошибок. В 1926 году Майкельсон провёл эксперимент между горами Вильсон и Сан-Антонио, находящимися на расстоянии 35 километров. И получил значение скорости света 299 796 ± 4 км/с.
В 1947 году английский физик Луи Эссен использовал микроволновый резонатор для расчёта скорости света по измерению резонансных частот микроволн в резонаторе с учётом их длин волн, выводимых из геометрии прибора. (Скорость волны равна произведению её длины волны на её частоту.) Полученная таким образом скорость составила 299 792 ± 3 км/с. В 1950 году он уточнил эксперимент и получил значение 299 792,5 ± 1 км/с.
В 1958 году английский физик Дэвид Фрум получил значение 299 792,5 ± 0,1 км/с с помощью миллиметрового интерферометра радиоволн.
В 1972 году, используя стабилизированный гелий-неоновый лазер группа из Национального бюро стандартов США достигла немыслимой до того времени точности: 299 792,4574 ± 0,0011 км/с. Используя тот же тип лазера, исследователи Вудс, Шоттон и Роули усовершенствовали эксперимент. И в 1978 году получили еще более точное значение: 299 792,45898 ± 0,0002 км/с.
Всем добра.
Не упустите шанс неплохо сэкономить*👇
Подборки статей для Вас 👇
*Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543