Измерение скорости света

20

Еще за 300 лет до нашей эры гречские учены уже знали, что свет распространяется прямолинейно, обладает свойством отражаться от глазных поверхностей и при этом угол падения равен углу отражения. Древние знания также о предломлении света. Клавдий Птоломей, великий астроном и математик древности, составил таблицы измерений им углов падения и предломления. Но по вопросу о скорости света в древней науке не было единого мнения. Большинство ученных того времени, в том числе и Аристотель, считали, что скорость света бесконечно велика — ведь никакими из существовавших тогда приборов и методов ее нельзя было измерить даже приблизительно. Тем не менее, 900 лет назад арабский ученый и врач Авиценна высказал предложение, что скорость света, хотя и очень велика, но конечна. С ним соглашался и его современник Альгазен. Но, конечно, ни один из них не мог подтвердить свое мнение факты или эксперименты.

Так или иначе, все поколения на протяжении веков прошли или интерес к природе света, о чем говорят и дошедшие до нас мифы, легенды, предания. Этот неиссякаемый интерес к явлениям природы был сначала единственным мотивом, побудившим ученых принять за экспериментальное измерение скорости света. Однако из крупнейших физиков-эксперимента-

таторов Альберта Майкельсон, почти всего жизнь посвятивший измерению скорости света, на вопрос корреспондентов: «А зачем это нужно?» ответал: «Ведь это ужасно интересно!». Но еще до работ Майкельсона определяние величины скорости света и ее зависимости от различных условий прибрело характер не только удовлетворения любозначательности ученых. Все более волнующая умызадка «светonosного эфира», вопрос о корпускулярной или волновой природе света, а затем и теория относительной потребовали точного знания скорости света. В нашей время точно определение этой величины имеет уже чисто практическое значение. Ее необходимо знать и при расчете энергетики ядерных реакций, и для измерения расстояний между космическими объектами в связи с расширением космических исследований, и во многих других, не менее важных проблем.

Первым, кто попытался экспериментально определить скорость света, был Галилео Галилей. Его метод был чрезвычайно прост, но, к сожалению, не дал результата. Вот как сам Галилей описывает его:

«Опыт, который я придумал, заключается в следующем. Два лица держат каждый по огню, заключенную в фонаре или чем-либо подобном, который можно открывать или закрывать движением руки на виду

22

Рис. 2.

Будет распространться в трубе телескопа ($\tau = \frac{l}{c}$, где $c$ — скорость света, $l$ — длина трубы), Земля пройдет по орбите путь, равный $v \cdot \tau$, и на такое же расстояние изображение звезды сдинится из центра поля зрения (рис. 2, а). Чтобы вернуть изображение звезды на место, нужно, оченьindo, наклонить телескоп в сторону движения Земли на такой угол $\alpha$, чтобы $tg \alpha = \frac{v \tau}{l}$ (рис. 2, б). Так как $l = c \tau$, то $tg \alpha = \frac{v \tau}{c \tau} = \frac{v}{c}$. Отсюда $c = \frac{v}{tg \alpha}$. То же самое будет в про-
тивоположной точке земной орбиты, но телефонную будет придать наклон в противоположную сторону. Таким образом, направления на одну и ту же звезду могут отличаться максимум на угол $2\alpha$. Изменения показали, что $2\alpha = 41''$. При астрономических наблюдениях телескоп, конечно, не наклонют. Благодария изменению направления скорости Земли изображение звезды будет в разные дни находиться в разных точках поля зрения телескопа и в течение года опшет эллипис. Большая ось этого эллиписа будет видна из центра объектива под углом $2\alpha$. Зная угол $\alpha$, Брадлей нащел скорость света и получил для нее значение 303 000 км/сек. Это было в 1728 году.

Однако учены не были удовлетворены, им хотелось бы изменить недостатную преждескость света на Земле, не выходя за пределы родной планеты, с тем, чтобы все условия опыта находились под контролем. Решения этой задачи пришлось ждать сто двадцать лет.

В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо придумал для этого довольно простой способ. Схема его такова (рис. 3). Луч света от источника $S$ падает на полупроэрачную зеркальную пластину $\Pi$, отражаясь от нее, направляется через собирающие лины к неподвиж-

Рис. 3

24

Длина базы равна $r$, то пусть $3_13_2$ и обратно свет проходит за время $\Delta t = \frac{2r}{c}$. За это время зеркало $3_1$, врашающееся с частотой $n$ (об/сек), повернется на угол $\alpha = 2\pi n \cdot \frac{2r}{c}$. Позному по закону отражения угол между лучами 1 и 2 (см. рис. 4) на пути $3_1\Pi$ будет равен $2\alpha = 8\pi n \cdot \frac{r}{c}$.

Таким образом, изображение $S'_1$, которое видит наблюдаемый при врашающем зеркале $3_1$, оказывается смешенным от изображения $S'$, получаемого при неподвижном зеркале $3_1$, на угол, равный $8\pi n \cdot \frac{r}{c}$.

Пользовать этим методом, Фуко получил для скорости света в воздухе значение $c = 298000$ км/сек.

В соответствии с первоначальным замыслом Араго Фуко осуществил при помощи своей установки изменение скорости света в воде. Для этого он несколько видно изменению свойства снабив ее двумя симметрично расположенными сферическими зерканами и помещив между одним из них и врашающим зеркалом труду с водой. Это позволяет ему сравнить скорости света в воде и воздухе и найти, что скорость света в воде составляет $3/4$ от ее величины в воздухе. Этот результат был последним ударом по корпускулярной теории света, выдвинутой Ньюотоном.

Методы, которые позволяют физи и Фуко, позволили изменить скорость света с точностью до $\pm 500$ км/сек.

В 1873 году Альфред Корню, повторивший опыт физи, изменил скорость света с точностью до $\pm 200$ км/сек.

В 1877 году американский физик Альберт Майкельсон, условиях света с точностью до $\pm 50$ км/сек.

Но Майкельсон не удовлетворился полученным результатом. С 1877 года и до конца жизни он неоднократно возврался к изменению скорости света, непрерывно совершенствуя свою установку. Полученное Майкельсом значение $c = 299796 \pm 4$ км/сек считалось долго времени наибольшее точным.

В проблемы изменения скорости света опыты Майкельсона завершили этап, который можно назвать классический. Но еще до окончания работы Майкельсона были поставлены новые эксперименты, уже на новой технической и идейной основе, обеспеченной бурным развитием физики. Эти эксперименты продолжаются вплоть до настоящего времени; их целью является установление наиболее точного значения скорости света.

Современные методы изменения скорости света можно разделить на