Понимание того, что свет распространяется с конечной скоростью и экспериментальное определение ее проявили проблемы, стоящие перед разными теориями в оптике. Первые методы, позволяющие определить скорость света, опирались на наблюдения в астрономии.
Точные методы нахождения скорости света в лабораторных исследованиях, применяются в геодезической съемке.
Сравнение измеренных в вакууме и разных веществах скорости света стало основой выбора волновой и корпускулярной теории света, заставило ввести понятие групповой скорости волны.
Значение скорости света в теории Максвелла в том, что:
- Постоянная в теории Максвелла – это скорость света, которая обозначает отношение электромагнитных и электростатических единиц заряда.
- Скорость распространения электромагнитного поля играет важную роль в обосновании электромагнитной природы света.
Вопрос о том, как влияет перемещение системы на скорость, с которой распространяется свет, привели к принятию принципа относительности Эйнштейна, самого значимого обобщения в физике, сыгравшего очень важную роль и в физике, и в философии.
Основной трудностью в экспериментальном измерении скорости света является большое ее значение. Данная проблема проявилась уже в первых научных попытках измерения скорости света, которые предпринял еще Галилей (1607 г.).
Опыт Галилея по определению скорости света
Двое наблюдателей имели по одному закрывающемуся фонарю. Находились они на значительном расстоянии друг от друга. Наблюдатель 1 открывал фонарь. Спустя известный отрезок времени свет доходил до наблюдателя 2, который в этот же момент открывал свой фонарь. Через определенное время сигнал от точки 2 доходил до точки 1. Наблюдатель в точке 1 отмечал время ($t$), которое прошло с момента подачи им сигнала до его возврата. Допускалось, что реакция наблюдателей мгновенна на сигнал и свет имеет постоянную скорость в обоих направлениях. Обозначим расстояние между наблюдателями $s$, тогда скорость света:
$c=\frac{2s}{t}\left( 1 \right)$.
Если положение о том, что свет распространяется во все стороны с равной скоростью, является истинным, то мгновенная реакция исполнителей на сигнал не отвечает действительности. В этой связи и с большой величиной скорости света опыт Галилея не дал хорошего результата. Получалось, что измерялась не скорость света, а скорость реакции человека на сигнал.
Результат можно существенно улучшить, если вместо человека поставить зеркало, отражающее сигнал. Данная схема измерения практически не изменилась в современных лабораторных опытах по определению скорости света. Просто были найдены лучшие приемы регистрации сигналов и отрезков времени, это дало возможность измерять скорость света с хорошей точностью даже на небольших расстояниях.
Методы измерения скорости света можно разделить на:
- астрономические;
- лабораторные.
Астрономические методы нахождения скорости света
У Юпитера имеется несколько спутников, которые можно иногда видеть с нашей планеты около него. Эти спутники периодически уходят в его тень. Наблюдения астрономов привели к выводу, что средний промежуток времени между парой последовательных затмений определенного спутника зависит от того как сблизились (удалились) Земля и Юпитер.
Рисунок 1. Противостояние Земли и Юпитера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Первым метод определения скорости света по результатам наблюдения за спутником Юпитера предложил Ремер. Допустим, что в некоторый момент времени Земля (З) и Юпитер (Ю) противостоят друг другу (рис.1). В этот же момент один из спутников Юпитера, который мы должны наблюдать с Земли, пропадает в тени Юпитера. На Земле попадание спутника в тень планеты будет зафиксировано на:
$\Delta t=\frac{R-r}{c}(2)$.
секунд позже, чем он совершал в системе отсчета, если связать ее с Юпитером. $R$ - радиус орбиты Юпитера; $r$ - радиус орбиты Земли; $c$ - скорость света в системе отсчета, которую свяжем с Солнцем ($C$).
По прошествии 0,545 года Земля (З’) и Юпитер (Ю’) попадают в «соединение». Если в данное время произойдет $n$- е затмение рассматриваемого спутника Юпитера, то на Земле оно запоздает на:
$\Delta t^{'}=\frac{R+r}{c}(3)$ секунд.
Если период обращения спутника вокруг Юпитера равен $t$, то отрезок времени между первым и $n$- затмением, регистрируемым с Земли равен:
$T_{1}=\left( n-1 \right)t+\frac{R+r}{c}-\frac{R-r}{c}=\left( n-1\right)t+\frac{2r}{c}\left( 4 \right)$.
Через 0,545 года Земля (З”) и Юпитер (Ю”) вновь придут в противостояние. В течение этого времени произойдут $n-1$ оборотов спутника Юпитера и $n-1$ затмений, из который первое было, когда земля и Юпитер занимали положения З’ и Ю’, последнее в положении З” и Ю”.
Первое затмение наблюдалось с опозданием $\frac{R+r}{c}$, последнее - $\frac{R-r}{c}$ в отношении ухода спутника в тень Юпитера. В результате имеем:
$T_{2}=\left( n-1 \right)t-\frac{R+r}{c}+\frac{R-r}{c}=\left( n-1\right)t-\frac{2r}{c}\left( 5 \right)$.
Ремер провел измерения времен $T_1$ и $T_2$, получил, что:
$T_1-T_2=1980$ (c).
Считая, что среднее расстояние от Земли до Солнца равно $r=150 ∙(10)^6$ км, получим:
$c=301∙(10)^6$ (м/c).
Данный результат признан первым измерением скорости света.
Еще одним удачным опытом по измерению скорости света считают опыт Брадлея (или Брэдли) (1725 – 1728 гг.). Ученый хотел установить существование годичного параллакса звезд.
Годичным параллаксом звезд называют кажущееся смещение звезд на небесном своде, которое отражает перемещение Земли по орбите. Это явление связано с конечностью расстояния от нашей планеты до звезды.
Звезда при своем движении должна описывать эллипс, угловые размеры которого связаны с расстоянием до звезды.
Для звезд, находящихся в плоскости эклиптики, данный эллипс вырождается в прямую, для звезд около полюса в окружность. Брэдли увидел данное смещение. При этом большая ось эллипса оказалась для всех звезд имеет одни и угловые размеры (2∝=40",9), что существенно больше ожидаемого параллактического смещения. Направление наблюдаемого смещения оказалось нормальным к ожидаемому в результате параллакса. Ученый объяснил полученное, явлением, названным им аберрацией света (конечность распространения света).
Аберрацию света связывают с изменением направления скорости Земли в течение года. Это явление дает возможность судить об изменении скорости Земли.
Лабораторные эксперименты по нахождению скорости света
Лабораторные методы определения скорости света – это усовершенствование эксперименты Галилея. Удачными считаю два приема:
- способ Физо,
- метод Араго – Фуко.
Физо по сути автоматизировал моменты пуска и приема возвращающегося светового сигнала (реализуемого методом регулярного прерывания потока света (зубчатое колесо)). В настоящее время применяют другие методы прерывания потока света. Например, используют конденсатор Керра, в котором электрическое поле быстро изменяют, производя $10^7$ прерываний в секунду. Физо первым определил скорость света в лаборатории.
Метод Араго – Фуко основан на точном измерении времени пробега сигнала света при использовании вращающегося зеркала.
Данные методы пытались неоднократно совершенствовать, используя современную технику, что позволяет увеличить точность начальных измерений и (или) уменьшить путь по которому рассматривают распространение света.
Были разработаны и методы, основанные на иных принципах.
Приведем результаты измерения скорости света, которые получали разными методами.
Рисунок 2. Результаты измерения скорости света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
