Скорость света

Скорость света очень велика, поэтому все попытки определить ее в земных условиях терпели неудачу. Ведь любое расстояние на земле в пределах прямой видимости свет пробегает за столь малый промежуток времени, который люди не могли измерить. Первое успешное измерение скорости света провел датский астроном Олаф Рёмер в 1676 году. Он использовал расстояния космического масштаба.

Наблюдая с Земли за процессом выхода из тени спутника Юпитера, он вычислил период обращения его вокруг Юпитера. Рассчитав момент времени, когда это событие произойдет спустя полгода, он обнаружил, что спутник «опоздал» выйти из тени на 1320 секунд по сравнению с расчетным временем. На рисунке видно, почему это произошло. Расчеты были сделаны при условии постоянства расстояния между Землей и Юпитером. Но за полгода оно возросло на 299106 тыс. км. (диаметр земной орбиты). Именно это дополнительное расстояние пришлось пробежать свету, поэтому он и «опоздал». Поделив путь на время, Рёмер получил скорость света с=215 тыс. км/c. Хотя истинное значение скорости света в полтора раза больше, но это измерение стало первым достоверным ее значением, показав ее большую величину.

Джеймс Брэдли (1727) использовал для определения скорости света явление аберрации (отклонения) света звезд. Представим, что мы направляем телескоп с неподвижной Земли на звезду в зените. Телескоп нужно установить вертикально. Теперь будем считать, что Земля движется по горизонтали со скоростью V. Видно, что для того, чтобы свет прошел через трубу телескопа, он должен быть наклонен от вертикального направления на малый угол α, Используя прямоугольный треугольник, можно получить формулу для искомого угла

, здесь V- скорость земли в перпендикулярном направлении c – скорость света.

Поскольку вектор скорости Земли описывает за год окружность, то направление телескопа на звезду так же опишет окружность, и на видимой небесной сфере за год звезда опишет маленький кружок. Угловой размер этого кружка 2α=40.9” – это и есть угол аберрации, соответствующая ему скорость c=303000 км/с.

В земных условиях скорость света была впервые измерена лишь сто лет спустя Ипполитом Физо (1849). Схема прибора следующая.

Источник света (на рис. звездочка) формирует пучок света, который с помощью полупрозрачного зеркала фокусируется на промежутке между зубцами колесика, после прохождения которого, направляется на отражающее зеркало, расположенное на расстоянии 8633 м, затем возвращается назад и попадает в глаз наблюдателю. Двукратное прохождение прямого участка требует всего 0.00006 с. Для измерения столь малого промежутка времени был придуман очень изящный способ. Колесико приводилось в быстрое вращение, и при некоторой скорости вращения свет переставал попадать к наблюдателю. Это означало, что за время прохождения светом пути, на место промежутка между зубцами встает следующий зубец. Увеличив скорость, добиваемся прохождения света (он проходит через следующий промежуток). Колесо содержало 720 зубцов (и столько же промежутков), а первое «просветление» достигалось при частоте 12.67 оборотов/с. Время прохождения светом всего пути составило . Скорость света составила с=2*8633*18245=315000 км/с.

Леон Фуко (1862) смог довести расстояние, преодолеваемое светом до нескольких метров, что позволило заполнить световой путь жидкостью и изучать скорость света в прозрачном веществе. Она оказалась меньше, например, в воде она составила 75% от скорости в воздухе. Максимального значения скорость света достигает в вакууме. с=299792458 м/с. Это точное значение, поскольку единицу измерения длины (метр) специально «подвели» под это значение. То есть, такое определение скорости света фактически определяет эталон длины. Можно было бы выбрать значение скорости света равное ровно 300000000 м/с, но тогда новый эталон метра не совпал бы с исторически принятым. В воздухе скорость света меньше, но отличие весьма мало.