Вчений дослідник поширення світла. Як вимірювали швидкість світла та яке її реальне значення
Швидкість світла у вакуумі- Абсолютна величина швидкості поширення електромагнітних хвиль у вакуумі. У фізиці позначається латинською літерою c.
Швидкість світла у вакуумі - фундаментальна постійна, не залежить від вибору інерційної системи відліку.
За визначенням вона становить рівно 299792458 м/с (наближене значення 300 тис. км/c).
Відповідно до спеціальної теорії відносності, є максимальною швидкістю для поширення будь-яких фізичних взаємодій, що передають енергію та інформацію.
Як визначили швидкість світла
Вперше швидкість світла визначив у 1676 О. К. Ремерщодо зміни проміжків часу між затемненнями супутників Юпітера.
У 1728 її встановив Дж. Брадлей, Виходячи зі своїх спостережень аберації світла зірок.
У 1849 А. І. Л. Фізопершим виміряв швидкість світла за часом проходження світлом точно відомої відстані (бази); Оскільки показник заломлення повітря дуже мало відрізняється від 1, то наземні виміри дають величину, дуже близьку до с.
У досвіді Фізо пучок світла від джерела S, відбитий напівпрозорим дзеркалом N, періодично переривався зубчастим диском W, що обертається, проходив базу MN (бл. 8 км) і, відбившись від дзеркала М, повертався до диска. Потрапляючи на зубець, світло не досягало спостерігача, а світло, що потрапило в проміжок між зубцями, можна було спостерігати через окуляр Е. За відомими швидкостями обертання диска визначався час проходження світлом бази. Фізо отримав значення з = 313 300 км/с.
У 1862 Ж. Б. Л. Фукореалізував висловлену в 1838 ідею Д. Араго, застосувавши замість зубчастого диска дзеркало, що швидко обертається (512 об/с). Відбиваючись від дзеркала, пучок світла прямував на базу і після повернення знову потрапляв на це дзеркало, що встигло повернутися на деякий малий кут. При базі всього 20 м Фуко знайшов, що швидкість світла дорівнює 29 800 080 ± 500 км/с.Схеми та основні ідеї дослідів Фізо та Фуко були багаторазово використані в наступних роботах з визначення с.
Ще задовго до того, як вчені виміряли швидкість світла, їм довелося неабияк попрацювати над визначенням самого поняття «світло». Одним із перших над цим замислився Аристотель, який вважав світло якоюсь рухливою субстанцією, що розповсюджується в просторі. Його давньоримський колега та послідовник Лукрецій Кар наполягав на атомарній структурі світла.
До XVII століття сформувалися дві основні теорії природи світла – корпускулярна та хвильова. До прихильників першої належав Ньютон. На його думку, всі джерела світла випромінюють найдрібніші частки. У процесі «польоту» вони утворюють лінії, що світяться – промені. Його опонент, голландський учений Християн Гюйгенс наполягав, що світло – це різновид хвильового руху.
Внаслідок багатовікових суперечок вчені дійшли консенсусу: обидві теорії мають право на життя, а світло – це видимий оку спектр електромагнітних хвиль.
Трішки історії. Як вимірювали швидкість світла
Більшість вчених давнини були переконані, що швидкість світла нескінченна. Однак результати досліджень Галілея та Гука допускали її граничність, що наочно було підтверджено у XVII столітті видатним датським астрономом та математиком Олафом Ремером.
Свої перші виміри він зробив, спостерігаючи за затемненнями Іо - супутника Юпітера в той момент, коли Юпітер і Земля розташовувалися з протилежних сторін щодо Сонця. Ремер зафіксував, що в міру віддалення Землі від Юпітера на відстань, що дорівнює діаметру орбіти Землі, змінювався час запізнення. Максимальне значення становило 22 хвилини. В результаті розрахунків він отримав швидкість 220 000 км/сек.
Через 50 років 1728 року, завдяки відкриттю аберації, англійською астроном Дж. Бредлі «уточнив» цей показник до 308000 км/сек. Пізніше швидкість світла виміряли французькі астрофізики Франсуа Арго та Леон Фуко, отримавши на «виході» 298 000 км/сек. Ще більш точну методику виміру запропонував автор інтерферометра, відомий американський фізик Альберт Майкельсон.
Досвід Майкельсона з визначення швидкості світла
Досліди тривали з 1924 до 1927 року і складалися з 5 серій спостережень. Суть експерименту полягала у наступному. На горі Вільсон в околицях Лос-Анжелеса були встановлені джерело світла, дзеркало і восьмигранна призма, що обертається, а через 35 км на горі Сан-Антоніо - дзеркало, що відображає. Спочатку світло через лінзу і щілину потрапляло на призму, що обертається за допомогою високошвидкісного ротора (зі швидкістю 528 об/сек.).
Учасники дослідів могли регулювати частоту обертання так, щоб зображення джерела світла було чітко видно в окулярі. Оскільки відстань між вершинами та частота обертання були відомі, Майкельсон визначив величину швидкості світла – 299 796 км/сек.
Остаточно зі швидкістю світла вчені визначилися у другій половині XX століття, коли були створені мазери та лазери, що відрізняються найвищою стабільністю частоти випромінювання. На початку 70-х похибка у вимірах знизилася до 1 км/сек. В результаті за рекомендацією XV Генеральної конференції з мір і ваг, що відбулася в 1975 році, було вирішено вважати, що швидкістю світла у вакуумі відтепер дорівнює 299792,458 км/сек.
Чи досягається для нас швидкість світла?
Очевидно, що освоєння далеких куточків Всесвіту немислимо без космічних кораблів, що летять із величезною швидкістю. Бажано зі швидкістю світла. Але чи можливе таке?
Бар'єр швидкості світла – один із наслідків теорії відносності. Як відомо, збільшення швидкості потребує збільшення енергії. Швидкість світла вимагатиме практично нескінченної енергії.
На жаль, але закони фізики категорично проти цього. При швидкості космічного корабля в 300000 км/сек частки, що летять назустріч йому, наприклад, атоми водню перетворюються на смертельне джерело потужного випромінювання, що дорівнює 10000 зівертів/сек. Це приблизно те саме, що опинитися всередині Великого адронного колайдера.
На думку вчених Університету Джона Хопкінса, поки що в природі не існує адекватного захисту від такої жахливої космічної радіації. Довершить руйнування корабля ерозія від впливу міжзоряного пилу.
Ще одна проблема світлової швидкості – уповільнення часу. Старість при цьому стане набагато тривалішою. Також піддасться викривленню зорове поле, внаслідок чого траєкторія руху корабля проходитиме як би всередині тунелю, наприкінці якого екіпаж побачить сяючий спалах. Позаду корабля залишиться абсолютна непроглядна темрява.
Тож у найближчому майбутньому людству доведеться обмежити свої швидкісні «апетити» 10% від швидкості світла. Це означає, що до найближчої до Землі зірки – Проксим Центавра (4,22 св. років) доведеться летіти приблизно 40 років.
В експериментах бере участь Всесвіт
Метод, за допомогою якого Левер'є, підкорив уяву вчених. За рухом Нептуна стали ретельно стежити і незабаром виявили настільки значні відмінності між спостерігається і теоретичною орбітами нового світила, що це могло бути пояснено лише існуванням ще однієї планети, розташованої за Нептуном!
18 лютого 1930 року молодий астроном Клайд Томбо з Ловеллівської обсерваторії в Америці нарешті виявив (на відстані, що майже втричі перевищує радіус орбіти Нептуна) нову планету Сонячної системи, що отримала назву Плутон. Томбо тим самим підтвердив розрахунки відомих астрономів-теоретиків Персіваля Ловелла та Вільяма Пікерінга.
Воістину, як сказав знаменитий французький оптик і астроном Франсуа Араго, «розумні очі можуть замінювати сильні телескопи».
Великих планет Сонячної системи стало дев'ять: Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Між Марсом і Юпітером розташована велика кількість маленьких планет, які отримали назву астероїдів. Проте астрономи продовжують шукати нові планети.
Теоретичні прогнози показали, що поки що на переміщення небесних тіл у Сонячній системі не впливає тяжіння далеких зірок та інших планетарних систем нашої галактики. Сонце має «залучати» до себе малі та великі планети. Сила тяжіння Сонця поширюється на відстань у 200 тисяч разів більша, ніж шлях від Землі до Сонця!
Не може бути, щоб у такому величезному просторі не було щільних небесних тіл, хоча поки що пошуки десятої планети Сонячної системи за допомогою найпотужніших сучасних телескопів не мали успіху…
Як бачимо, небесна механіка незмінно підтверджує закони земної механіки, виведені Ньютоном. Рух небесних тіл, як з'ясувалося ще за часів Ньютона, дозволяє не лише перевірити закон всесвітнього тяжіння, а й дає до рук дослідників чудовий спосіб. визначення швидкості світла.
Дивно, що про такий спосіб не здогадався Галілей, який пропонував для цієї мети лише досвід із ліхтарями. Двоє людей стоять на великій відстані один від одного з ліхтарями в руках і відзначають час, за який світло раптово запаленого ліхтаря подолає відстань між ними. Досвід, на жаль, нездійсненний через занадто велику швидкість світла.
Як виміряли швидкість світла?
У вересні 1676 року молодий данець Олаф Ремер, що працював у Паризькій обсерваторії, представив Французькій Академії наук доповідь, в якій описав, як, користуючись обертанням Землі навколо Сонця, можна визначити швидкість світла.
Ремер у своїх дослідженнях спостерігав переміщення однієї з супутників Юпітера. Час повного обороту супутника навколо планети був постійним і добре відомим астрономам. Ремер зауважив: якщо Земля при своєму обертанні навколо Сонця знаходиться у найбільш віддаленій від Юпітера точці орбіти, то входження супутника в тінь Юпітера астрономи спостерігають на 22 хвилини пізніше, ніж у той момент, коли Земля знаходиться до Юпітера найближче. Ремер здогадався про причину дивного явища - світла потребує 22 хвилини, щоб подолати відстань від найближчої до найдальшої від Юпітера точки орбіти Землі. Знаючи час, який витрачає на це світло і обчисливши діаметр орбіти Землі, ми легко можемо визначити швидкість світла!
Ймовірно, це був один із перших в історії науки випадків, коли вчений користувався Всесвітом як гігантською природною лабораторією.
Ремер отримав значення швидкості світла, які в півтора рази менше сучасних значень цієї величини. Але за це навряд чи можна йому закинути: ми ж знаємо, якими приладами вимірював час його великий сучасник Галілео Галілей.
Астрономічний спосіб вимірювання швидкості світла широко використовувався фізиками протягом трьох століть, що пройшли після спостережень та розрахунків Ромера. Зараз загальноприйнятим вважається значення швидкості світла у вакуумі, що дорівнює 299,79 тисяч кілометрів на секунду.
У ХІХ столітті навчилися визначати швидкість світла Землі. Високу досконалість досяг у цих експериментах американський фізик Альберт Майкельсон. Його складний масивний прилад з безліччю дзеркал, що подовжували шлях світла, був розміщений на кам'яній плиті площею 1,5 м 2 і товщиною 30 см. Щоб уникнути найменших струсу приладу, підставка для плити була заповнена ртуттю.
Майкельсон встановив, що швидкість світла залежить від напрямку променя, на поширення світла впливає обертання Землі. Виняткова ретельність дослідів Майкельсона, досягнута на початку XIX століття висока точність у визначенні справжнього значення швидкості світла, можливо, наштовхнула Альберта Ейнштейна на думку вважати швидкість світла у вакуумі найвищою швидкістю, яка можлива в Природі. Ця думка становить один із найважливіших постулатів створеної Ейнштейном теорії відносності - найбільш загальної сучасної теорії руху, до якої закони Ньютона увійшли як окремий випадок.
У 1676 році датський астроном Оле Ремер зробив першу грубу оцінку швидкості світла. Ремер помітив слабку розбіжність у тривалості затемнень супутників Юпітера і зробив висновок, що рух Землі, або наближається до Юпітера, або віддаляється від нього, змінювала відстань, що доводилося проходити світла, відбитому від супутників.
Вимірявши величину цієї розбіжності, Ромер підрахував, що швидкість світла становить 219 911 кілометрів на секунду. У пізнішому експерименті 1849 року французький фізик Арман Фізо отримав, що швидкість світла дорівнює 312873 кілометрів на секунду.
Як показано на малюнку вгорі, експериментальна установка Фізо складалася з джерела світла, напівпрозорого дзеркала, яке відображає тільки половину падаючого на нього світла, дозволяючи решті проходити далі зубчастого колеса, що обертається, і нерухомого дзеркала. Коли світло потрапляло на напівпрозоре дзеркало, воно відбивалося на зубчасте колесо, яке поділяло світло на пучки. Пройшовши через систему лінз, що фокусують, кожен світловий пучок відбивався від нерухомого дзеркала і повертався назад до зубчастого колеса. Провівши точні вимірювання швидкості обертання, коли зубчасте колесо блокувало відбиті пучки, Физо зміг обчислити швидкість світла. Його колега Жан Фуко через рік удосконалив цей метод і отримав, що швидкість світла становить 297 878 кілометрів на секунду. Це значення мало відрізняється від сучасної величини 299792 кілометрів в секунду, яка обчислюється шляхом перемноження довжини хвилі і частоти лазерного випромінювання.
Експеримент Фізо
Як показано на малюнках вгорі, світло проходить вперед і повертається назад через той самий проміжок між зубцями колеса в тому випадку, якщо воно обертається повільно (нижній малюнок). Якщо колесо обертається швидко (верхній малюнок), сусідній зубець блокує світло, що повертається.
Результати Фізо
Розмістивши дзеркало на відстані 8,64 кілометра від зубчастого колеса, Фізо визначив, що швидкість обертання зубчастого колеса, необхідна для блокування світлового пучка, що повертається, становила 12,6 оборотів в секунду. Знаючи ці цифри, а також відстань, пройдену світлом, і відстань, яка мала пройти зубчасте колесо, щоб блокувати світловий пучок (рівну ширині проміжку між зубцями колеса), він обчислив, що світловому пучку знадобилося 0,000055 секунди на те, щоб пройти відстань від зубчастого колеса до дзеркала та назад. Розділивши на цей час загальну відстань 17,28 кілометра, пройдену світлом, Фізо отримав для його швидкості значення 312 873 кілометри на секунду.
Експеримент Фуко
У 1850 році французький фізик Жан Фуко вдосконалив техніку Фізо, замінивши зубчасте колесо на дзеркало, що обертається. Світло з джерела доходило до спостерігача тільки в тому випадку, коли дзеркало робило повний оборот на 360° за проміжок часу між відправленням та поверненням світлового променя. Використовуючи цей метод, Фуко отримав для швидкості світла значення 297 878 кілометрів на секунду.
Фінальний акорд у вимірах швидкості світла.
Винахід лазерів дало можливість фізикам виміряти швидкість світла зі значно більшою точністю, ніж будь-коли раніше. У 1972 році вчені з Національного інституту стандартів і технології ретельно виміряли довжину хвилі і частоту лазерного променя і зафіксували швидкість світла, витвір цих двох змінних, на величині 299792458 метрів на секунду (186282 милі на секунду). Одним із наслідків цього нового виміру було рішення Генеральної конференції заходів та ваг прийняти як еталонний метр (3,3 фута) відстань, яка світло проходить за 1/299792458 секунди. Таким чином/швидкість світла, найбільш важлива фундаментальна постійна у фізиці, зараз обчислюється з дуже високою достовірністю, а еталонний метр може бути визначений набагато точніше, ніж будь-коли раніше.
Швидкістю світла називають відстань, що світло проходить за одиницю часу. Ця величина залежить від цього, у якому речовині поширюється світло.
У вакуумі швидкість світла дорівнює 299792458 м/с. Це найвища швидкість, яка може бути досягнута. При вирішенні завдань, що не потребують особливої точності, цю величину приймають 300 000 000 м/с. Передбачається, що зі швидкістю світла у вакуумі поширюються всі види електромагнітного випромінювання: радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання, гамма-випромінювання. Позначають її літерою з .
Як визначили швидкість світла
В античні часи вчені вважали, що швидкість світла нескінченна. Пізніше у вченому середовищі почалися дискусії з цього питання. Кеплер, Декарт і Ферма були згодні з думкою античних вчених. А Галілей і Гук вважали, що хоча швидкість світла дуже велика, все-таки вона має кінцеве значення.
Галілео Галілей
Одним із перших швидкість світла спробував виміряти італійський вчений Галілео Галілей. Під час експерименту він та його помічник перебували на різних пагорбах. Галілей відкривав заслінку на своєму ліхтарі. У той момент, коли помічник бачив це світло, він мав проробити ті самі дії зі своїм ліхтарем. Час, за який світло проходив шлях від Галілея до помічника і назад, виявилося таким коротким, що Галілей зрозумів, що швидкість світла дуже велика, і на такій короткій відстані її виміряти неможливо, оскільки світло поширюється практично миттєво. А зафіксований ним час показує лише швидкість реакції людини.
Вперше швидкість світла вдалося визначити в 1676 датському астроному Олафу Ремеру за допомогою астрономічних відстаней. Спостерігаючи за допомогою телескопа затемнення супутника Юпітера Іо, він виявив, що в міру віддалення Землі від Юпітера кожне наступне затемнення настає пізніше, ніж було розраховано. Максимальне запізнення, коли Земля переходить в інший бік від Сонця і віддаляється від Юпітера на відстань, що дорівнює діаметру земної орбіти, становить 22 години. Хоча на той час точний діаметр Землі був відомий, учений розділив його приблизну величину на 22 години і отримав значення близько 220 000 км/с.
Олаф Ремер
Результат, отриманий Ромером, викликав недовіру вчених. Але в 1849 р. французький фізик Арман Іполит Луї Фізо виміряв швидкість світла методом затвора, що обертається. У його досвіді світло від джерела проходило між зубами обертового колеса і прямувало на дзеркало. Відбитий від нього він повертався назад. Швидкість обертання колеса зростала. Коли вона досягала якогось певного значення, відбитий від дзеркала промінь затримувався зубцем, що перемістився, і спостерігач в цей момент нічого не бачив.
Досвід Фізо
Фізо обчислив швидкість світла в такий спосіб. Світло проходить шлях L від колеса до дзеркала за час, що дорівнює t 1 = 2L/c . Час, за який колесо робить поворот на ½ прорізу, дорівнює t 2 = T/2N , де Т - Період обертання колеса, N - Кількість зубців. Частота обертів v = 1/T . Момент, коли спостерігач не бачить світла, настає при t 1 = t 2 . Звідси отримуємо формулу визначення швидкості світла:
з = 4LNv
Провівши обчислення за цією формулою, Фізо визначив, що з = 313000000 м/с. Цей результат був набагато точнішим.
Арман Іполит Луї Фізо
У 1838 р. французький фізик і астроном Домінік Франсуа Жан Араго запропонував використовувати для обчислення швидкості світла метод обертових дзеркал. Цю ідею здійснив на практиці французький фізик, механік і астроном Жан Бернар Леон Фуко, який отримав в 1862 значення швидкості світла (298 000 000 ± 500 000) м / с.
Домінік Франсуа Жан Араго
У 1891 р. результат американського астронома Саймона Ньюкома виявився на порядок точнішим за результат Фуко. В результаті його обчислень з = (99810000 ± 50000) м / с.
Дослідження американського фізика Альберта Абрахама Майкельсона, який використовував установку з восьмигранним дзеркалом, що обертається, дозволили ще точніше визначити швидкість світла. У 1926 р. вчений виміряв час, за який світло проходило відстань між вершинами двох гір, що дорівнює 35,4 км, і отримав з = (299796000±4 000) м/с.
Найточніший вимір було проведено в 1975 р. Цього ж року Генеральна конференція з мір і ваг рекомендувала вважати швидкість світла, що дорівнює 299 792 458 ± 1,2 м/с.
Від чого залежить швидкість світла
Швидкість світла у вакуумі не залежить від системи відліку, ні від положення спостерігача. Вона залишається постійною величиною, яка дорівнює 299 792 458 ± 1,2 м/с. Але в різних прозорих середовищах ця швидкість буде нижчою за його швидкість у вакуумі. Будь-яке прозоре середовище має оптичну густину. І чим вона вища, тим із меншою швидкістю поширюється в ній світло. Так, наприклад, швидкість світла в повітрі вища за його швидкість у воді, а в чистому оптичному склі менше, ніж у воді.
Якщо світло переходить з менш щільного середовища в щільніше, його швидкість зменшується. А якщо перехід походить з більш щільного середовища в менш щільне, швидкість, навпаки, збільшується. Цим пояснюється, чому світловий промінь відхиляється межі переходу двох середовищ.
