Измерение скорости света

Первые измерения скорости света делал Галилей. Хотя принципиальная сторона его метода была безупречна, но ошибки опыта оказались столь велики, что никаких результатов ему получить не-удалось. Тем не менее представление о конечности скорости света продолжало существовать. Первое более или менее удачное определение скорости принадлежит датскому астроному Ремеру (1676).

Ремер изучал затмения спутников Юпитера, исходя из представления о том, что период т0 их вращения (относительно Юпитера) постоянен. Но при наблюдениях с Земли оказалось, что промежутки времени между затмениями (вхождением спутника в тень Юпитера) периодически изменяются. Ремер объяснил это изменением относительного положения Земли и Юпитера. Пусть сначала Земля и Юпитер находятся в положениях T1 и J1 (рис. 9.1). Пока Земля и Юпитер перейдут в положения Т2 и J2, произойдет Ni затмений (период вращения τ0 близок к 42 ч). Для земного наблюдателя промежуток времени, за который произойдут эти затмения, равен:

где D — диаметр земной орбиты, с — неизвестная еще скорость света. Затем Земля и Юпитер перейдут в положения Т3 и J3; на это потребуется время т2, равное:

где N2 — число происшедших затмений. Из этих уравнений можно найти истинный период обращения спутника й скорость света. При этом можно считать, что свет практически распространяется только в вакууме. Результат Ремера был довольно близок к истинному значению скорости света.

Рис 9.1

В земных условиях скорость света измерил Физо (1849), реализовавший на улучшенной технической основе идею Галилея. Схема опыта показана на рисунке 9.2. Свет от источника 5 отражается полупрозрачной пластиной G в промежуток между зубцами колеса Z,вращающегося вокруг горизонтальной оси. Затем он выходит параллельным пучком из линзы В, достигает линзы С и фокусируется на зеркале L; отразившись от него свет возвращается обратно к колесу и через пластину . G и линзу А попадает в глаз наблюдателя.- Пусть при неподвижном колесе поле зрения освещено. При вращении колеса возникают мелькания, сменяющиеся полным затемнением, если свет, прошедший через промежуток между зубцами, на обратном пути встретит непрозрачный зубец, т. е. если зеркало повернется на угол

где N — число зубцов (и соответственно промежутков между ними).

При увеличении угловой скорости вращения колеса ωследующее затемнение наступит при вдвое, втрое и т. д. большей скорости вращения.

Расстояние h в опыте Физо составляло около 8,5 км, число зубцов — 720. Основная трудность заключалась в создании строго равномерного вращения колеса и точном измерении скорости его вращения. Результаты Физо были довольно точными.

Фуко (1860) воспользовался установкой (рис. 9.3), где расстояния, проходимые светом, были гораздо меньше (десятки метров). Свет от источника S попадает на зеркало Т1 и отражается на вогнутое зеркало Т2. Не показанная на рисунке оптика позволяет сфокусировать изображение источника на поверхности зеркала Т2. Отраженный свет проходит обратный путь и отражается полупрозрачной пластинкой Р в зрительную трубу, где дает изображение источника.

 

Рис. 9.2

Рис. 9.3

 Если зеркало Т1 вращать вокруг оси, перпендикулярной чертежу, то отраженный свет будет попадать в трубу лишь при повороте зеркала Т1 на небольшой угол. При быстром вращении получается смещенное изображение. По смещению можно определить угол поворота зеркала. Если измерена частота его вращения, то отсюда определяется и скорость света (при известных путях, проходимых светом).

Между зеркалами Т1 и Т2 Фуко помещал полую трубу, а затем выполнял ее той или иной прозрачной жидкостью. Таким образом можно было установить, что скорость света в жидкости меньше, чем в воздухе, но числовых значений он получить не смог. Это было сделано позже при повышенной точности измерений.

Метод Фуко был значительно усовершенствован Майкельсоном, получившим весьма точные результаты.

В последнее время вместо механического затвора (зубчатого колеса) стали применять электрический затвор (ячейку Керра), работающий гораздо быстрее и надежнее. Это позволило резко уменьшить размеры измерительной установки и повысить точность измерений.

Развитие радиолокационных методов позволило измерять скорость света на радиочастотах. Производились также определения скорости света по длине стоячих волн в электромагнитных резонаторах и многими другими методами.

Результатом всех этих измерений явилось установление замечательного факта: скорость света в вакууме совершенно не зависит от частоты света; измерениями был охвачен диапазон от 50 МГц (радиоволны) до 1016 МГц (жесткие рентгеновские волны).

В настоящее время значением скорости света в вакууме считается

с =(299 792 458 ± 12) м/с.

Следует отметить, что хотя точность всех этих опытов высока, но она недостаточна для того, чтобы обнаружить влияние собственного движения Земли. Более точные опыты по обнаруживанию этого влияния описываются ниже.