Швидкість світла (c) у вакуумі не виміряна. Вона має точну фіксовану величину в стандартних одиницях. За міжнародною угодою 1983 року метр визначається як довжина шляху, прохідна світлом у вакуумі за час 1/299792458 секунди. Швидкість світла в точності дорівнює 299792458 м / с. Дюйм визначений, як 2.54 сантиметра. Тому в неметричних одиницях швидкість світла теж має точне значення. Таке визначення має сенс лише тому, що швидкість світла у вакуумі константа, а цей факт повинен бути підтверджений експериментально. Також експериментально потрібно визначати швидкість світла в середовищах, таких як вода і повітря.
До сімнадцятого століття вважалося, що світло поширюється миттєво. Це підтверджували спостереження місячного затемнення. При кінцевої швидкості світла повинна бути затримка між положенням Землі щодо Місяця і положенням земної тіні на поверхні Місяця, але такої затримки не виявлено. Зараз ми знаємо, що швидкість світла занадто велика, щоб помітити затримку.
Про швидкість світла міркували і сперечалися ще з давніх часів, але тільки трьом ученим (всі вони були французи) вдалося виміряти її за допомогою земних коштів. Це була дуже стара і дуже складна проблема.
Однак за попередні століття філософи і вчені накопичили досить великий запас відомостей про властивості світла. За 300 років до нашої ери, в ті дні, коли Евклід створив свою геометрію, грецькі математики вже чимало знали про світло. Було відомо, що світло поширюється прямолінійно і що при відображенні від плоского дзеркала кут падіння променя дорівнює куту відбиття. Стародавні вчені добре знали і явище заломлення світла. Полягає воно в тому, що світло, переходячи з одного середовища, наприклад повітря, в середу іншої щільності, наприклад воду, заломлюється.
Клавдій Птолемей, астроном і математик з Олександрії, склав таблиці виміряних кутів падіння і заломлення, але закон заломлення світла був відкритий тільки в 1621 році голландським математиком з Лейдена Віллебрордом Снелліусом, який виявив, що відношення синусів кута падіння і кута заломлення постійно для будь-яких двох середовищ різної щільності.
Багато древні філософи, в тому числі великий Аристотель і римський державний діяч Луцій Сенека, замислювалися про причини виникнення веселки. Аристотель вважав, що колірна гамма з'являється в результаті відбиття світла крапельками води; приблизно того ж думки дотримувався і Сенека, вважаючи, що хмари, що складаються з частинок вологи, є свого роду дзеркалом. Так чи інакше, людина протягом усієї своєї історії виявляв інтерес до природи світла, про що свідчать дійшли до нас міфи, легенди, філософські суперечки і наукові спостереження.
Як і більшість древніх вчених (виключаючи Емпедокла), Аристотель вважав, що швидкість світла нескінченно велика. Було б дивно, якби він думав інакше. Адже таку величезну швидкість неможливо було виміряти жодним з існуючих на той час методів або приладів. Але і в пізніші часи вчені продовжували міркувати і сперечатися з цього приводу. Близько 900 років тому арабський вчений Авіценна висловив припущення, що, хоча швидкість світла і дуже велика, вона повинна бути величиною кінцевої. Таке ж була думка одного з його сучасників, арабського фізика Альгазена, який вперше пояснив природу сутінків. Ні той, ні інший, зрозуміло, не мали можливості підтвердити свою думку експериментально.
досвід Галілея
У Галілея розмовляють троє співрозмовників. Перший, Сагредо, запитує: «Але якого роду і якою мірою швидкості повинно бути це рух? Чи повинні ми вважати його миттєвим або ж совершающимся в часі, як всі інші рухи? ». Симпличио, ретроград, тут же відповідає: «Повсякденний досвід показує, що світло від полум'я пострілів без всякої втрати часу закарбовується в нашому оку на противагу звуку, який доходить до вуха через значний проміжок часу». Сагредо на це з повною підставою заперечує: «З цього загальновідомого досвіду я не можу вивести жодного іншого висновку, окрім того, що звук доходить до нашого слуху через великі проміжки часу, ніж світло».
Тут втручається Сальвиати (виражає думку Галілея): «Мала доказовість цих та інших подібних же спостережень змусила мене подумати про який-небудь спосіб упевнитися безпомилково в тому, що освітлення, тобто поширення світла, відбувається дійсно миттєво. Досвід, який я придумав, полягає в наступному. Два особи тримають кожен по вогню, укладеним в ліхтарі або в чомусь подібному, який можна відкривати і закривати рухом руки на очах у компаньйона; ставши один проти одного «на відстані декількох ліктів, учасники починають вправлятися в закриванні і відкриванні вогню на очах у компаньйона таким чином, що як тільки один зауважує світло іншого, так відразу ж відкриває і свій ... Мені вдалося зробити його лише на малій відстані - менше однієї милі, - чому я і не міг переконатися, чи дійсно поява протилежної світла відбувається раптово. Але якщо воно відбувається і не раптово, то, у всякому разі, з надзвичайною швидкістю ».
Були тоді в розпорядженні Галілея кошти, звичайно, не дозволяли так просто вирішити це питання, і він цілком віддавав собі в цьому звіт. Суперечки тривали. Роберт Бойль, знаменитий ірландський вчений, що дала перша правильне визначення хімічного елемента, вважав, що швидкість світла кінцева, а інший геній XVII століття, Роберт Гук, вважав, що швидкість світла занадто велика, щоб її можна було визначити експериментально. З іншого боку, астроном Йоганн Кеплер і математик Рене Декарт дотримувалися точки зору Аристотеля.
Ремер і супутник Юпітера
Перша пролом в цій стіні був пробитий в 1676 році. Сталося це у відомій, мірою випадково. Теоретична проблема, як це не раз траплялося в історії науки, була дозволена в ході здійснення чисто практичного завдання. Потреби розширюється торгівлі і зростаюче значення мореплавання спонукали французьку Академію наук зайнятися уточненням географічних карт, для чого, зокрема, був потрібний більш надійний спосіб визначення географічної довготи. Довгота визначається досить простим способом - за різницею в часі в двох різних точках земної кулі, але тоді ще не вміли робити досить точні годинник. Вчені запропонували використовувати для визначення паризького часу і часу на борту корабля яке-небудь небесне явище, що спостерігається щодня в один і той же час. З цього явища мореплавець або географ міг би поставити свій годинник і дізнатися паризьке час. Таким явищем, видимим з будь-якого місця на море або на суші, є затемнення одного з чотирьох великих супутників Юпітера, виявлених Галілеєм в 1609 році.
Серед вчених, що займалися цим питанням, був молодий датський астроном Оле Ремер, за чотири роки до того запрошений французьким астрономом Жаном Пікаром на роботу в новій паризької обсерваторії.
Як і інші астрономи того часу, Ремер знав, що період між двома затемненнями найближчого до Юпітера супутника змінюється протягом року; спостереження з одного і того ж пункту, відокремлені терміном на півроку, дають максимальну різницю в 1320 секунд. Ці 1320 секунд були загадкою для астрономів, і ніхто не міг знайти їм задовільне пояснення. Здавалося, існувала якась залежність між періодом обертання супутника і положенням Землі на орбіті щодо Юпітера. І ось Ремер, докладно перевіривши всі ці спостереження і розрахунки, несподівано просто вирішив загадку.
Ремер припустив, що 1320 секунд (або 22 хвилини) - це той час, який потрібно світла, щоб пройти відстань від найближчого до Юпітера положення Землі на орбіті до положення, найбільш віддаленого від Юпітера, де Земля виявляється через півроку. Іншими словами, додаткове відстань, яке проходить світло, відбите від супутника Юпітера, дорівнює діаметру орбіти Землі (рис. 1).
Мал. 1. Схема міркувань Ремер.
Період обертання найближчого до Юпітера супутника дорівнює приблизно 42,5 години. Тому супутник повинен був затулятися Юпітером (або виходити зі смуги затемнення) кожні 42,5 години. Але протягом півроку, коли Земля віддаляється від Юпітера, затемнення спостерігалися кожен раз з дедалі більшим запізненням в порівнянні з передбаченими термінами. Ремер прийшов до висновку, що світло поширюється не миттєво, а має кінцеву швидкість; тому йому потрібно все більше часу для досягнення Землі, у міру того як вона, рухаючись по орбіті навколо Сонця, віддаляється від Юпітера.
За часів Ремер діаметр орбіти Землі вважався рівним приблизно 182 000 000 миль (292 000 000 км). Розділивши цю відстань на 1320 секунд, Ремер отримав, що швидкість світла дорівнює 138 000 миль (222 000 км) в секунду.
Мало того, з першої ж спроби Ремер отримав величину правильного порядку. Якщо ж взяти до уваги, що вчені досі займаються уточненням діаметра орбіти Землі і термінів затемнення супутників Юпітера, то помилка Ремер не викликатиме подиву. Тепер ми знаємо, що максимальне запізнення затемнення супутника одно не 22 хвилинам, як думав Ремер, а приблизно 16 хвилинам 36 секундам, а діаметр орбіти Землі приблизно дорівнював не 292 000 000 км, а 300 000 000 км. Якщо внести ці поправки в розрахунок Ремер, виходить, що швидкість світла дорівнює 300 000 км в секунду, а цей результат близький до найточнішою цифрі, отриманої вченими нашого часу.
Ремер довів, що, хоча швидкість світла і дуже велика, вона тим не менше конечна і може бути виміряна. Однак, віддаючи належне досягненню Ремер, деякі вчені все-таки не були цілком задоволені. Вимірювання швидкості світла по його методу грунтувалося на астрономічних спостереженнях і вимагало тривалого часу. Їм же хотілося провести вимір в лабораторії чисто земними засобами, не виходячи за межі нашої планети, так, щоб всі умови досвіду знаходилися під контролем. Зумів же французький фізик Марен Марсенею, сучасник і друг Декарта, тридцять п'ять років тому виміряти швидкість звуку. Чому не можна те ж саме зробити і зі світлом?
Перший вимір земними засобами
Мал. 2. Установка Физо.
Через 174 роки після того, як Ремер обчислив швидкість світла зі спостережень затемнень супутника Юпітера, Физо сконструював пристрій для вимірювання швидкості світла в земних умовах. Зубчасте колесо C розбивало промінь світла на спалаху. Физо виміряв час, за який світло проходив відстань від C до дзеркала A і назад, рівне 17,32 км. Слабкістю цього методу було те, що момент найбільшої яскравості світла визначався спостерігачем на око. Такі суб'єктивні спостереження недостатньо точні.
Коли зубчасте колесо було нерухомо і знаходилося в первинному положенні, спостерігач міг бачити світло від джерела крізь проміжок між двома зубцями. Потім колесо наводилося в рух з дедалі більшою швидкістю, і наступав такий момент, коли світловий імпульс, пройшовши через проміжок між зубцями, повертався, відбившись від дзеркала A. і затримувався зубцем. В цьому випадку спостерігач нічого не бачив. При подальшому прискоренні обертання зубчастого колеса світло знову з'являвся, ставав все яскравіше і, нарешті, досягав максимальної інтенсивності. На зубчастому колесі, який я використав Физо, було 720 зубців, а максимальної інтенсивності світло досягав при 25 обертах в секунду. На підставі цих даних Физо наступним чином обчислив швидкість світла. Світло проходить відстань між дзеркалами і назад за той час, поки колесо повернеться від одного проміжку між зубцями до іншого, тобто за 1/25. 1/720. що становить 1/18000 секунди. Пройдену відстань одно подвоєному відстані між дзеркалами, тобто 17,32 км. Звідси швидкість світла дорівнює 17,32 · 18 000, або близько 312 000 км в секунду.
удосконалення Фуко
Коли Физо оголосив про результат свого виміру, вчені засумнівалися в достовірності цієї колосальної цифри, згідно з якою світло доходить від Сонця до Землі за 8 хвилин і може облетіти Землю за восьму частку секунди. Здавалося неймовірним, щоб людина змогла виміряти таку величезну швидкість такими примітивними інструментами. Світло проходить вісім з гаком кілометрів між дзеркалами Физо за 1/36000 секунди? Неможливо, говорили багато. Однак цифра, отримана Физо, була дуже близька до результату Ремер. Навряд чи це могло бути простим збігом.
Тринадцять років по тому, коли скептики все ще продовжували сумніватися і відпускати іронічні зауваження, Леон Фуко, син паризького видавця, у свій час готувався стати лікарем, визначив швидкість світла дещо іншим способом. Він кілька років пропрацював разом з Физо і багато розмірковував над тим, як вдосконалити його досвід. Замість зубчастого колеса Фуко застосував обертається дзеркало.
Фуко мав репутацію талановитого дослідника. У 1855 році йому була присуджена коплейская медаль Англійського Королівського товариства за його досвід з маятником, що з'явився доказом обертання Землі навколо осі. Він побудував також перший гіроскоп, придатний для практичного використання. Заміна в досвіді Фізо зубчастого колеса, що обертається дзеркалом (така ідея була запропонована ще в 1842 році Домініко Араго, але не була здійснена) дала можливість скоротити шлях, прохідний світловим променем, з 8 з гаком кілометрів до 20 м. Обертове дзеркало (рис. 3) відхиляла зворотний промінь під невеликим кутом, що дозволяло провести необхідні вимірювання для обчислення швидкості світла. Результат, отриманий Фуко, був 298 000 км / сек, тобто приблизно на 17 000 км менше значення, отриманого Физо. (В іншому досвіді Фуко помістив між відбиваючим і обертовим дзеркалами трубу з водою, щоб визначити швидкість поширення світла у воді. Виявилося, що швидкість поширення світла в повітрі більше.)
Надалі додаткові заходи застосовувалися для підвищення точності. Наприклад, враховували коефіцієнт заломлення світла в повітрі. У 1958 Фрум отримав значення 299792.5 км / с, використовуючи мікрохвильовий інтерферометр і електрооптичний затвор Керра. Після 1970 року з використанням лазера з високою стабільністю спектра і точних цезієвого годинника стали можливі ще більш точні вимірювання. До цього часу точність еталона метра була вище, ніж точність вимірювання швидкості світла. І ось швидкість світла стала відома з точністю плюс-мінус 1 м / с. Тепер стало більш практично у визначенні метра використовувати швидкість світла. Еталон відстані в 1 метр зараз визначається з використанням атомного годинника і лазера.
У таблиці представлені основні етапи вимірювання швидкості світла (Фрум і Ессен):