Как измеряли скорость света и каково ее реальное значение
Еще задолго до того, как ученые измерили скорость света, им пришлось изрядно потрудиться над определением самого понятия «свет». Одним из первых над этим задумался Аристотель, который считал свет некой подвижной субстанцией, распространяющейся в пространстве. Его древнеримский коллега и последователь Лукреций Кар настаивал на атомарной структуре света.
К XVII веку сформировались две основные теории природы света – корпускулярная и волновая. К приверженцам первой относился Ньютон. По его мнению, все источники света излучают мельчайшие частицы. В процессе «полета» они образуют светящиеся линии – лучи. Его оппонент, голландский ученый Христиан Гюйгенс настаивал на том, что свет – это разновидность волнового движения.
В результате многовековых споров ученые пришли к консенсусу: обе теории имеют право на жизнь, а свет – это видимый глазу спектр электромагнитных волн.
Немного истории.
Как измеряли скорость светаБольшинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.
Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.
Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.
Опыт Майкельсона по определению скорости света
Опыты продолжались с 1924 по 1927 год и состояли из 5 серий наблюдений. Суть эксперимента заключалась в следующем. На горе Вильсон в окрестностях Лос-Анжелеса были установлены источник света, зеркало и вращающаяся восьмигранная призма, а через 35 км на горе Сан-Антонио – отражающее зеркало. Вначале свет через линзу и щель попадал на вращающуюся с помощью высокоскоростного ротора (со скоростью 528 об/сек.) призму.
Участники опытов могли регулировать частоту вращения таким образом, чтобы изображение источника света было четко видно в окуляре. Поскольку расстояние между вершинами и частота вращения были известны, Майкельсон определил величину скорости света – 299796 км/сек.
Окончательно со скоростью света ученые определились во второй половине XX века, когда были созданы мазеры и лазеры, отличающиеся высочайшей стабильностью частоты излучения. К началу 70-х погрешность в измерениях снизилась до 1 км/сек.
Достижима ли для нас скорость света?
Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?
Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.
Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.
По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации.
Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.
Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.
Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.
Как измерили скорость света
Первое успешное измерение скорости света в вакууме выполнил Олаф Ремер в 1676 году. Он рассчитал скорость света по движению спутников Юпитера. Современное значение c = 299792458 м/с .
How is the speed of light measured?
Philip Gibbs
Скорость света
c в вакууме
не измерена.
Она имеет точную фиксированную величину в стандартных
единицах. По международному соглашению 1983 года метр определяется
как длина пути, проходимая светом в вакууме за время 1/299792458
секунды. Скорость света в точности равна 299792458 м/с. Дюйм определён,
как 2.54 сантиметра. Поэтому в неметрических единицах скорость
света тоже имеет точное значение. Такое определение имеет смысл
только потому, что скорость света в вакууме константа, а этот
факт должен быть подтверждён экспериментально (см.
Постоянна ли скорость света?
). Также экспериментально нужно определять скорость света в средах,
таких как вода и воздух.
До семнадцатого века считалось, что свет распространяется
мгновенно. Это подтверждали наблюдения лунного затмения. При конечной
скорости света должна быть задержка между положением Земли относительно
Луны и положением земной тени на поверхности Луны, но такой задержки
не обнаружено.
Первое успешное измерение величины
c выполнил
Олаф Ремер
в 1676 году. Он заметил,
что время между затмениями спутников Юпитера меньше, когда расстояние
от Земли до Юпитера уменьшается, и больше, когда это расстояние
увеличивается. Он понял, что это получается из-за изменения времени,
которое нужно свету, чтобы пройти от Юпитера до Земли при изменении
расстояния между ними. Он рассчитал, что скорость света равна
214000 км/с. Неточность объясняется тем, что расстояния между
планетами в то время не были ещё хорошо определены.
В 1728 году Джеймс Брэдли оценил величину скорости света, наблюдая аберрацию звёзд (изменение видимого положения звезды, вызванное движением Земли вокруг Солнца). Он наблюдал одну из звезд в созвездии Дракона, и обнаружил, что её видимое положение изменяется в течение года. Этот эффект работает для всех звёзд, в отличие от параллакса, который заметнее для ближних звёзд. Аберрация аналогична влиянию движения на угол падения капель дождя. Если вы стоите, и нет ветра, то капли падают вертикально вам на голову. Если вы побежите, то окажется, что дождь идёт под углом и попадает вам в лицо. Брэдли измерил этот угол для света звёзд. Зная скорость движения Земли вокруг Солнца, он определил, что скорость света равна 301000 км/с.
Первое измерение
c на Земле
выполнил
Арман Физо
в 1849
году.
Он использовал отражение света от зеркала, удалённого на
расстояние 8 км. Луч света проходил через зазор между зубчиками
быстро вращающегося колеса. Скорость вращения увеличивали, пока
отражённый луч не становился виден в следующем зазоре. Рассчитанная
величина
c получилась равной 315000
км/с. Через год
Леон Фуко
улучшил
этот метод, используя вращающееся зеркало, и получил гораздо более
точное значение 298000 км/с. Улучшенный метод был достаточно точен,
и с его помощью определили, что скорость света в воде меньше,
чем в воздухе.
После того как
Максвелл
опубликовал свою
теорию электромагнетизма, стало возможно определять скорость света
косвенно по значениям магнитной и электрической проницаемости.
Первыми это сделали
Вебер и Кольрауш
в 1857
году. В 1907 году
Роза и Дорси
таким же способом
получили 299788 км/с.
В то время это было самое точное значение.
В дальнейшем дополнительные меры применялись для повышения точности. Например, учитывали коэффициент преломления света в воздухе. В 1958 Фрум получил значение 299792.5 км/с, используя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор Керра. После 1970 года с использованием лазера с высокой стабильностью спектра и точных цезиевых часов стали возможны ещё более точные измерения. До этого времени точность эталона метра была выше, чем точность измерения скорости света. И вот скорость света стала известна с точностью плюс-минус 1 м/с. Теперь стало более практично в определении метра использовать скорость света. Эталон расстояния в 1 метр сейчас определяется с использованием атомных часов и лазера.
В таблице представлены основные этапы измерения скорости света (Фрум и Эссен) :
| Дата | Авторы | Метод | км/с | Погрешность |
|---|---|---|---|---|
| 1676 | Olaus Roemer | Спутники Юпитера | 214 000 | |
| 1726 | James Bradley | Аберрация звёзд | 301 000 | |
| 1849 | Armand Fizeau | Зубчатое колесо | 315 000 | |
| 1862 | Leon Foucault | Вращающееся зеркало | 298 000 | ± 500 |
| 1879 | Albert Michelson | Вращающееся зеркало | 299 910 | ± 50 |
| 1907 | Rosa, Dorsay | ЭМ константы | 299 788 | ± 30 |
| 1926 | Albert Michelson | Вращающееся зеркало | 299 796 | ± 4 |
| 1947 | Essen, Gorden-Smith | Объёмный резонатор | 299 792 | ± 3 |
| 1958 | K. D.Froome | Радио интерферометр | 299 792.5 | ± 0.1 |
| 1973 | Evanson et al | Лазерный интерферометр | 299 792.4574 | ± 0.001 |
| 1983 | CGPM | Принятое значение | 299 792.458 | 0 |
Philip Gibbs , 1997
Перевод Е.Корниенко
Скорость света | Обсерватория Лас-Кумбрес
Сегодня каждый может использовать Google для поиска скорости света в вакууме и получить точный результат в секундах: 299 792 458 м/с . Но кто открыл скорость света и как они это сделали?
Галилео Галилей был первым человеком, который попытался измерить скорость света в начале 1600-х годов. Галилей и его помощник стояли на разных вершинах холма на известном расстоянии друг от друга. План состоял в том, чтобы Галилей открыл затвор лампы, а затем его помощник открыл затвор лампы, как только он увидел свет от Галилея.
.
Используя расстояние между вершинами холмов и свой пульс в качестве таймера, Галилей планировал измерить скорость света. Он и его ассистент пробовали это с разным расстоянием между ними, но независимо от того, как далеко они были друг от друга, он не мог измерить никакой разницы во времени, которое потребовалось свету для прохождения.
Галилей пришел к выводу, что скорость света слишком велика, чтобы ее можно было измерить этим методом, и оказался прав. Теперь мы очень точно знаем скорость света, и если бы Галилей и его помощник находились на вершинах холмов на расстоянии одной мили друг от друга, свету потребовалось бы 0,0000054 секунды, чтобы пройти от одного человека к другому. Понятно, что Галилей не смог измерить это своим пульсом!
В 1676 году датский астроном по имени Оле Рёмер изучал орбиты спутников Юпитера и составлял таблицы для предсказания затмений лун. Он заметил, что когда Юпитер и Земля находятся далеко друг от друга (почти соединение), затмения лун происходят на несколько минут позже, чем когда Юпитер и Земля ближе (почти противостояние).
путешествие с Юпитера на Землю.
Рёмер обнаружил, что максимальное изменение времени этих затмений составляет 16,6 минут. Он интерпретировал это как количество времени, которое требуется свету, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. На самом деле он не рассчитывал скорость света, поскольку диаметр земной орбиты в то время был малоизвестен. Но используя его метод со знанием расстояний, которые у нас есть сегодня, мы получаем значение скорости света приблизительно 301 204,8 км/с. Это всего лишь около 0,5% от известного современного значения скорости света.
В 1850-х годах французский физик Жан Фуко измерил скорость света в лаборатории, используя источник света, быстро вращающееся зеркало и неподвижное зеркало. Этот метод был основан на аналогичном аппарате, построенном Армандом-Ипполитом Физо. Впервые на Земле удалось измерить скорость света, и скорость света была измерена с очень большой точностью.
В 1970-х интерферометрия использовалась для получения наиболее точного значения скорости света, которое когда-либо было измерено: 299792,4562±0,0011 км/с.
Затем, в 1983 году, метр был переопределен в Международной системе единиц (СИ) как расстояние, пройденное светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды. В результате числовое значение скорости света ( c ) в метрах в секунду теперь точно фиксируется определением метра. Он всегда медленнее в других материалах, таких как вода или стекло. Для большинства расчетов используется значение 3,00 x 10 5 км/с.
Дом SpaceBook
Эта глава
Природа света
Подробнее в этой главе
- Что такое свет?
- Красное смещение
- Свет как волна
- Свет как частица
- Скорость света
- Излучение черного тела
Последние новости LCO
новости
Образовательный партнер LCO в Индии добился рекордных результатов
новости
Телескопы LCO зафиксировали столкновение с астероидом DART
новости
Инструмент LCO имеет жизненно важное значение для открытия двух суперземель
новости
Грант Фонда Хейзинга-Саймонса профинансирует новый инструмент 02
Новости
новости 900 a Supernova
Скорость света измеряется времяпролетным методом на расстоянии 20 см с использованием высокоскоростного импульсного лазера, светоделителя, зеркал, быстрых детекторов и осциллографа.
|
Затем мы сравниваем измеренную скорость света с измеренной скоростью радиоволн. Эта страница поддерживает мультимедийный учебник The Nature of Light.
) первое зеркало предназначено только для того, чтобы направить луч в сторону нашего эксперимента. Светоделитель — это просто стеклянная пластина. Это позволяет переданному лучу поступать прямо к первому детектору , внизу слева. Луч, отраженный светоделителем, проходит ко второму и третьему зеркалам , а затем достигает второго детектора .
