Интересная физика: как измеряли скорость света
Сюжет:
Московский подрост’ОК
Технологии
Как измеряли скорость света.
Оказывается, история открытия этого явления не менее интересна, чем само явление.
Впервые скорость света определил в 1676 Оле Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутника Юпитера Ио.
Нужды торговли, которая развивалась быстрыми темпами, и возрастающее значение мореплавания побудили французскую Академию наук заняться уточнением географических карт, для чего, в частности, требовался более надежный способ определения географической долготы. Оле Ремер – молодой датский астроном – был приглашен работать в новую парижскую обсерваторию.
Ученые предложили использовать для определения парижского времени и времени на борту корабля небесное явление, наблюдаемое ежедневно в один и тот же час. По этому явлению мореплаватель или географ мог бы узнать парижское время.
Таким явлением, видимым с любого места на море или на суше, является затмение одного из четырех больших спутников Юпитера, обнаруженных Галилеем в 1609 году. Спутник Ио проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками составил 42 часа 28 минут. Такие же измерения, проведенные полгода спустя, показали, что спутник опоздал, появившись из тени на 22 минуты позже по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио. Скорость имеет неточный результат из-за неверного определения времени запаздывания.
В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света. Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало 2 — на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом.
Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса 12,6 об/с.
Свет от источника проходил через зубья вращающегося колеса и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому колесу. Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Используя метод вращающегося затвора, Физо получил значение скорости света: 3,14.105 км/с.
Весной 1879 года газета “Нью-Йорк Таймс” сообщила: “На научном горизонте Америки появилась новая яркая звезда. Младший лейтенант морской службы, выпускник Морской академии в Аннаполисе Альберт Майкельсон, которому еще нет и 27 лет, добился выдающегося успеха в области оптики: он измерил скорость света!” Примечателен тот факт, что на выпускных экзаменах в академии Альберту достался вопрос об измерении скорости света. Кто мог предположить, что через короткое время Майкельсон сам войдет в историю физики, как измеритель скорости света.
До Майкельсона только единицам (все они были французами) удалось измерить ее с помощью земных средств. А на американском континенте до него никто даже не пытался поставить этот трудный эксперимент.
Установка Майкельсона размещалась на двух горных вершинах, разделенных расстоянием 35,4 км. Зеркалом служила восьмигранная стальная призма на горе Сан Антонио в Калифорнии, сама установка находилась на горе Маунт-Вильсон. После отражения от призмы луч света попадал на систему зеркал, возвращающих его назад. Для того чтобы луч попадал в глаз наблюдателя, вращающаяся призма должна за время распространения света туда и обратно, успеть повернуться хотя бы на 1/8 оборота.
Майкельсон писал: “То, что скорость света – является категорией, недоступной человеческому воображению, и что с другой стороны ее возможно измерить с необыкновенной точностью, делает ее определение одной из самых увлекательных проблем, с которыми может столкнуться исследователь.
Наиболее точное измерение скорости света было получено в 1972 году американским ученым К.
Ивенсоном с сотрудниками. В результате независимых измерений частоты и длины волны лазерного измерения ими было получено значение 299792456,2±0,2м/с
Однако в 1983 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов было принято новое определение метра (это длина пути, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды), из которого следует что скорость света в вакууме абсолютно точно равна с=299 792 458 м/с
1676 г. – Оле Ремер – астрономический метод
с= 2,22•108 м/с
1849г. – Луи Физо – лабораторный метод
с= 3,12•108 м/с
1879 г. Альберт Майкельсон – лабораторный метод
C= 3,001•108м/с
1983 г. Заседание Генеральной ассамблеи мер и весов
с=299792458 м/с
КОММЕНТАРИЙ ЭКСПЕРТА
Преподаватель физики и астрономии Елена Львовна Ильина:
– Свет в том смысле, в котором мы привыкли употреблять это слово, это лишь узенькая полосочка на шкале электромагнитных волн.
Что касается скорости света, то удивительно, что на самом деле это такая значительная величина – ни одно тело не может двигаться с этой скоростью. Детский ум будоражит мысль, что свет от далёкой звезды свет может идти миллионы лет. А в астрономии есть такая величина, как световой год.
Когда впервые измерили скорость света?
Известно, что скорость света в вакууме конечна и составляет ≈300 000 км/c. На этих данных основана вся современная физика и все современные космические теории. Но ещё совсем недавно ученые были уверены, что скорость света бесконечна, и мы мгновенно видим то, что происходит в самых дальних уголках космоса.
О том, что такое свет, люди начали задумываться ещё в глубокой древности. Свет от пламени свечи, мгновенно распространяющийся по помещению, вспышки молний на небесах, наблюдение за кометами и другими космическими телами на ночном небе давало ощущение, что скорость света бесконечна. Действительно, трудно поверить, что, например, смотря на Солнце, мы наблюдаем его не в настоящем состоянии, а таким, какое оно было около 8 минут назад.
Но некоторые люди всё же подвергали сомнению устоявшуюся, казалось бы, истину о бесконечности скорости света. Одним из таких людей был Исаак Бенгман, который в 1629 году попробовал провести эксперимент по определению конечной скорости света. В его распоряжении не было, конечно же, ни компьютеров, ни высокочувствительных лазеров, ни высокоточных часов. Вместо этого ученый решил произвести взрыв. Наполнив емкость взрывчатым веществом, он на различном расстоянии от неё установил большие зеркала и попросил наблюдателей определить, в каком из зеркал вспышка от взрыва появится раньше. Учитывая, что за одну секунду свет способен обогнуть землю 7,5 раз, можно догадаться, что эксперимент закончился провалом.
Чуть позже небезызвестный Галилей, который тоже подвергал сомнению бесконечность скорости света, предложил свой эксперимент. Он поставил своего помощника с фонарем на один холм, а сам встал с фонарем на другой. Когда Галилей поднял крышку со своего фонаря, его помощник сразу же поднял крышку с противоположного фонаря.
Конечно, этот эксперимент тоже не мог увенчаться успехом. Единственное, что Галилей мог предположить, было то, что скорость света намного быстрее человеческой реакции.
Получается, единственным выходом из положения было участие в эксперименте тел, достаточно сильно удаленных от Земли, но которые можно было бы наблюдать при помощи телескопов того времени. Такими объектами стали Юпитер и его спутники. В 1676 году астроном Оле Рёмер пытался определить долготу между различными точками на географической карте. Для этого он использовал систему по наблюдению за затмением одного из спутников Юпитера – Ио. Свои исследования Оле Рёмер вел с острова недалеко от Копенгагена, в то время как другой астроном Джованни Доменико Кассини наблюдал за этим же затмением из Парижа. Сравнив время начала затмения между Парижем и Копенгагеном, ученые определили разницу в долготе. Несколько лет подряд Кассини наблюдал за спутниками Юпитера из одного и того же места на Земле и заметил, что время между затмениями спутников становится короче, когда Земля находится к Юпитеру ближе, и длиннее, когда Земля отдалена от Юпитера.
На основании своих наблюдений он предположил, что скорость света конечна. Это было абсолютно верное решение, но почему-то Кассани вскоре отказался от своих слов. Зато Рёмер воспринял идею с энтузиазмом, и даже сумел составить хитроумные формулы, учитывающие диаметр Земли и орбиту Юпитера. В результате он посчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли вокруг Солнца. Его расчеты были неверны: по современным данным, свет проходит это расстояние за 16 минут и 40 секунд. Если бы вычисления Оле были бы точными, то скорость света составляла бы 135 000 км/c.
Позже, основываясь на вычислениях Рёнера, Христиан Гюйенс подставил в формулы более точные данные диаметра Земли и орбиты Юпитера. В итоге он получил скорость света равную 220 000 км/c, что намного ближе к верному значению.
Но не все ученые подсчитали гипотезу о конечности скорости света верной. Научные дебаты продолжались до 1729 года, когда было открыто явление световой абберации, которое подтвердило предположение о конечности скорости света и позволило более точно измерить её значение.
Это интересно: современные ученые и историки приходят к выводу, что, скорее всего, формулы Рёмера и Гюйенса были верными. Ошибка заключалась в данных об орбите Юпитера и диаметре Земли. Получается, ошибались не два астронома, а люди, предоставившие им информацию об орбите и диаметре.
Основное фото: depositphotos.com
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
comments powered by HyperComments
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!
Изображение предоставлено: LCO
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.
Леон Фуко
В 1850-х годах французский физик Леон 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.
Измерение скорости света
Дон Линкольн
, FermilabСкорость света очень велика. Действительно, это самая быстрая вещь во Вселенной. Численно это около 186 000 миль в секунду.
Этого достаточно, чтобы обогнуть Землю, примерно 7,5 раз в секунду. Как мы измеряем что-то так быстро? Читайте дальше, чтобы узнать. Теория относительности говорит, что скорость света одинакова для всех. Тем не менее, кошка, сидящая у кого-то на коленях в машине, с одной стороны, не движется, а для того, кто неподвижно смотрит на пролетающую мимо машину, движется. (Изображение: Ронначай Палас/Shutterstock)Является ли скорость света одинаковой для всех?
Согласно теории относительности, есть два основных принципа. Во-первых, все наблюдатели, независимо от их скорости по сравнению с другими людьми, имеют равное право заявлять, что они являются единым, неподвижным центром вселенной. Это не так ново и необычно. Мы приняли это со времен Галилея.
Второе гораздо менее очевидно: скорость света одинакова для всех. Это менее «очевидно», потому что, предположим, человек сидит в машине с кошкой на коленях. Можно с полным основанием сказать, что кошка не двигается. С другой стороны, кто-то, сидящий неподвижно и наблюдающий за пролетающей мимо машиной, скажет, что кошка движется со скоростью примерно 60 миль в час.
Таким образом, кажется, что скорости всегда зависят от системы отсчета, в которой они измеряются.
Но это неверно для света, и мы знаем, что это правда. Скорость света проще указать именно в метрической системе, где она ровно 299 792 458 метров в секунду. Такой уровень точности важен для ученых. Однако вместо самого измерения может быть интереснее сначала понять, как именно мы измеряем эту скорость света.
Скорость звука
Понятно, что измерение чего-то такого быстрого требует некоторых усилий. Это не похоже на звук, который настолько медленный, что может быть ощутимая задержка, или в таких местах, как бейсбольный матч, где можно увидеть, как далекий отбивающий ударил по мячу, а затем услышать треск биты через долю секунды. Или когда мы смотрим на высоко летящий самолет и слышим звук, исходящий из другого места.
Со скоростью 770 миль в час, или чуть более 1000 футов в секунду, легко понять, как будет отличаться местоположение, определяемое слухом и зрением.
Ведь если скорость звука 1000 футов в секунду и мы смотрим на самолет, летящий на высоте 30 000 футов, то мы услышим звук не оттуда, где мы видим самолет, а оттуда, где он был. 30 секунд назад.
Нет, при свете любая возможная задержка в любой разумной ситуации незаметна человеческим чувствам. Вместо полной секунды, которая требуется звуку, чтобы пройти 1000 футов, свету требуется миллионная доля секунды. Итак, как мы можем измерить скорость света? Ну, в основном нужно либо использовать очень быструю электронику, либо измерять очень большие расстояния. И второй метод — это то, как впервые была измерена скорость света.
Эта статья взята непосредственно из видеосерии Доказательства современной физики: откуда мы знаем, что мы знаем . Смотрите прямо сейчас на Wondrium.
Оле Ремер и скорость света
Первая профессиональная попытка измерить скорость света была предпринята в 1676 году датским астрономом Оле Ремером.
(Изображение: Jacob Coning/Public domain)Первая профессиональная попытка измерить скорость света была предпринята в 1676 году датским астрономом Оле Ремером. Он проводил точные измерения затмения луны Ио, когда она вращалась вокруг Юпитера, пытаясь определить точный момент, когда Ио соскользнула в тень Юпитера. Это не было эзотерическим упражнением, как кажется; на самом деле у него были приложения для моряков, которым нужно было определить свое местоположение на земном шаре.
Ремер знал, что Ио совершает оборот вокруг Юпитера за 42,5 часа. Исходя из этого, он мог рассчитать момент, когда должно произойти затмение для каждой орбиты. Однако он обнаружил, что его расчеты и измерения расходятся. Кроме того, разногласия менялись со временем и зависели от того, где Юпитер находился на своей орбите по сравнению с тем, где находилась Земля. Эти два местоположения постоянно менялись, что, следовательно, меняло расстояние между Юпитером и Землей.
Невероятное достижение
Используя точные измерения и долгие размышления, Ремер понял, что может объяснить свои наблюдения, если бы свет имел высокую, но конечную скорость.
Он даже подсчитал, что свету потребуется 22 минуты, чтобы пройти от одной стороны земной орбиты до другой, и, исходя из этого, он вычислил, что скорость света составляет 220 000 километров в секунду, что примерно на 26% ниже фактической скорости. Но, тем не менее, это было невероятное достижение для человека, работавшего более трех столетий назад.
Сегодня все по-другому. На нашей стороне технологии. Существует не один, а множество способов измерения скорости света. Конечно, сегодня мы также можем повторить измерение Ремера и получить более точные результаты, но теперь мы можем проводить другие измерения, более непосредственно измеряющие скорость света. Например, мы можем установить два детектора света на расстоянии 1000 футов друг от друга, а затем выстрелить импульсным лазером из одного в другой и измерить, что свету потребовалась миллионная доля секунды, чтобы преодолеть это расстояние. Или мы могли бы использовать один детектор света и удаленное зеркало, чтобы сделать то же самое.