Скорость света как вычислили: Как измеряют скорость света?

Содержание

Как измеряют скорость света?

В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.

Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.

Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки.

Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.

Эксперимент Физо

Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.

Результаты Физо

Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.

Эксперимент Фуко

В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.

Финальный аккорд в измерениях скорости света.

Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.

 

Проблематика измерения скорости света / Хабр

Человечество исследует свет как физическое явление уже больше 2000 лет. Может сложиться впечатление, что этот феномен досконально изучен. Но не все так однозначно. На некоторые вопросы до сих пор нет однозначного ответа.

Как все начиналось

Вообще, при изучении света у ученых всегда возникали различные сложности. Для античных ученых проблемой являлось определение самой природы света. Некоторые из них объясняли способность человека видеть лучами, идущими из глаз. А римский писатель Лукреций, наоборот был близок к истине. В своих трудах он писал о том, что свет и тепло состоят из маленьких движущихся частиц, но, к сожалению, его идеи не обрели популярности. В итоге, сформированная в античности точка зрения о бесконечной скорости света была основной до 17 века.

17 век стал началом активного изучения природы света. Изобретение телескопа, корпускулярная теория света Ньютона и Декарта, волновая теория Гука и Гюйгенса, а также первая оценка скорости света Олафа Рёмера. Изучая затмения спутников Юпитера, он заметил, что время затмений отклоняется от усредненного расписания, в зависимости от расстояние между Землей и Юпитером. Когда оно увеличивается, то затмения отстают от расписания, и наоборот. Рёмер связал этот факт с тем, что свет проходит больший или меньший путь, в зависимости от положения планет. К сожалению, у ученых 17 века, в том числе и Рёмера, не было возможности достаточно точно измерить время и расстояния. Поэтому, пользуясь доступными ему средствами, он рассчитал скорость света и получил 220000 км/с.

Рисунок из статьи Рёмера. Рёмер наблюдал затмения в точках E. K. L. H, G, F

Как обстоят дела сегодня

Если 17 век можно охарактеризовать отсутствием необходимых технологий, то в наше время с этим проблем нет. Высокочастотные лазеры, невероятно точные часы. Но возникает другая проблема — практическая реализация измерения скорости. Представим измерение скорости света. Возьмём точные часы, источник света, например лазер, и зеркало. Включим лазер и измерим, за какое время луч пройдет от лазера до зеркала и обратно. Поделим два расстояния от лазера до зеркала на время и получим скорость света. В ходе такого эксперимента мы получим двустороннюю скорость света. Двусторонняя, потому что свет во время измерения проходит один и тот же путь два раза(от лазера до зеркала и обратно). В чем может быть проблема? Возможно, скорость света явление анизотропное, то есть имеет различное значение в разных направлениях. Например. в одну сторону луч движется со скоростью c/2, а возвращается мгновенно. Различия могут быть менее существенными, например в несколько процентов. Но для того, чтобы подтвердить или опровергнуть эту теорию необходимо измерить одностороннюю скорость света.

Схема измерения скорости света

Одновременность и синхронизация Эйнштейна

Для измерения односторонней скорости света мы не обойдемся одними часами как в случае измерения двусторонней скорости (т.е. по замкнутой траектории). Самого понятия «односторонняя скорость» нет, пока мы не определим, что такое «одно и то же время» в двух разных местах. Поэтому понадобится пара часов, чтобы измерить время старта и финиша по одной временной шкале. Для этого нужно синхронизировать часы.  Именно от того, каким образом мы сделаем это, зависит измерение величины односторонней скорости. Таким образом, одновременность двух событий в одной системе отсчета, разделенных расстоянием определяется соглашением о том, как синхронизировать часы в этих двух точках. В работе «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн предложил схему, которая названа «синхронизацией Эйнштейна». Согласно ей, односторонняя скорость света равна двусторонней независимо от направления. В той же работе Эйнштейн писал: «…это не предпосылка и не гипотеза о физической природе света, а требование, которое я делаю на основании свободного выбора, чтобы получить понятие одновременности». 

Синхронизация Эйнштейна. Время t’ вторых часов определяется таким образом, чтобы оно равнялось половине времени, за которое свет проходит расстояние 2*AB

База, который час?

Как изменится понимание процессов во вселенной, если окажется, что односторонняя скорость света не одинаковая в разных направлениях?  Представим себе такую картину: офис NASA на Земле хочет синхронизировать часы с космической станцией. Допустим, что свет от Земли до станции и обратно проходит за 20 минут. Офис отправляет сообщение в 12:00. Если односторонняя скорость света равна c, то сигнал дойдет до станции за 10 минут. Экипаж устанавливает свои часы на 12:10 и шлет ответ Земле, который дойдет в 12:20. Теперь представим, что до станции односторонняя скорость света равна c/2, а обратно свет доходит мгновенно. Офис также отправляет сообщение в 12:00. Сигнал доходит до станции в 12:20, но экипаж думает, что односторонняя скорость света равна c, поэтому устанавливает часы на 12:10 и шлет ответ офису, который доходит мгновенно. Земля получает сообщение, в котором говорится, что время на станции установлено на 12:10, причем сигнал получен Землей в 12:20. Для наблюдателя ничего не изменилось, но часы в обоих случаях синхронизированы по-разному. 

Пространственно-временная диаграмма. Для наблюдателей два случая идентичны, но часы синхронизированы по-разному

Современные исследования

Периодически, возникают исследования, заявляющие о том, что односторонняя скорость света определена. В 2009 году в октябрьском выпуске «Американского физического журнала» вышла статья о том, как группа ученых нашла способ определить одностороннюю скорость света. Но через определенное время различные ученые опровергли представленный метод и показали, что в ходе исследования  была измерена двусторонняя скорость

Текст статьи можно найти на сайте журнала

На сегодняшний день мы не знаем величину односторонней скорости света. Зачем об этом вообще говорить, если общепринятые физические модели работают. Если нельзя определить одностороннюю скорость света, то имеет ли смысл понятие одновременности для двух объектов, разделенных расстоянием? Возможно, это просто случайная причуда Вселенной, а может быть ключ к следующей смене парадигм к физике.


Дата-центр ITSOFT — услуги размещения и аренды серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.

Скорость света: чему равна и как ее измерили?

Скорость света является одной из фундаментальных постоянных, которые характеризуют буквально все вокруг нас — пространство и время. Именно эта величина разделяет на до и после, причину и следствие, а также накладывает массу интересных ограничений на возможности известной нам вселенной.

Изложенные ниже данные и приведенные примеры не претендуют на абсолютную научную точность, а призваны максимально простым языком объяснить читателю основные и наиболее интересные факты, касающиеся скорости света.

♥ ПО ТЕМЕ: На этой картинке 16 кругов, вы их видите?

 

Чему равна скорость света и как ее измерили

Любопытно, что скорость света считалась бесконечной вплоть до второй половины XVII века, то есть, такие великие ученые как Иоганн Кеплер или Рене Декарт, к примеру, воспринимали ее именно такой. Лишь в 1676 году датский астроном Олаф Ремер, наблюдавший затмения спутника Юпитера Ио, заметил, что они не совпадают с расчетными по времени и зависит это несовпадение от расстояния между событием и наблюдателем.

Принимая во внимание положение Земли на своей орбите относительно Юпитера, Ремер вычислил скорость света равную 220 000 км/c (ошибся на ~80 000 км/с).

В начале XIX века ученые измеряли скорость света практическим «методом прерываний» и к 1950 году достигли результата 299 793,1 км/с с погрешностью 0,25 км/с, а изобретение лазера в дальнейшем позволило дойти до предела точности и зафиксировать скорость света на отметке 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/c.

Дальнейшее уточнение одной из базовых величин теории относительности стало невозможным из-за отсутствия точного определения метра — в то время он был равен длине металлической палки, являвшейся эталоном и хранящейся в Париже. Вопрос был снят лишь в 1983 году, когда Генеральная конференция по мерам и весам переопределила метр как расстояние, которое преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Соответственно, скорость света стала официально равной 

299 792 458 метров в секунду (или грубо: 300 000 км/с).

♥ ПО ТЕМЕ: Что такое Даркнет и как туда зайти?

 

В чем фундаментальность скорости света

На самом деле, современная наука знает всего несколько объективных фундаментальных постоянных, которые остаются неизменными

при любых условиях. Скорость света не зависит ни от наблюдателя, ни от способа измерения, ни от времени — она действительно постоянна.

Чтобы доказать обратное, можно, например, пропустить луч света через сложную неоднородную среду и он пройдет сквозь нее заметно медленнее, чем через вакуум. Однако при внимательном рассмотрении условий эксперимента окажется, что фотоны двигались с той же скоростью света, но по более сложной траектории.

ПО ТЕМЕ: У кого больше всех подписчиков в Инстаграм – 35 самых популярных аккаунтов.

 

Почему ничто не может преодолеть скорость света?

Если вы создадите или обнаружите объект, обладающий отличной от нуля массой или имеющий свойство каким-либо образом взаимодействовать с другими частицами, то вы изобретете машину времени. При этом ничего подобного в известном нам мире не наблюдалось ни разу. Упрощая научный язык, опишем ситуацию следующим образом:

Представим события X и Y, при этом событие X является причиной события Y, а Y, соответственно, является следствием X. Например, событие X — это вспышка сверхновой в далекой галактике, а Y — это регистрация ее частиц астрономами на Земле. Если расстояние между X и Y больше, чем время между ними (T), умноженное на скорость света (C), то в разных системах отсчета мы получим три разных результата:

1. Событие X произошло раньше события Y;
2. Событие Y произошло раньше события X;
3. События X и Y произошли одновременно.

Очевидно, что два последних варианта едва ли возможны с точки зрения современной науки, а значит ничто не может переместиться или передать информацию быстрее скорости света.

Впрочем, как насчет такой ситуации: вы берете очень мощный фонарик, направляете его на Марс, а в луче света двигаете палец — если вы делаете это достаточно быстро, то тень от вашего пальца «бегает» на поверхности Марса быстрее скорости света, что опровергает нашу теорию.

На самом деле, нет. Перемещение тени нельзя назвать перемещением объекта с массой, также как сама по себе тень ни с чем не взаимодействует, а является лишь отсутствием света. Фотоны же от вашего фонарика долетят до Марса с уже известной нам скоростью 299 792 458 метров в секунду.

♥ ПО ТЕМЕ: Космические скорости — насколько быстро нужно лететь, чтобы покинуть Землю, планетную систему и галактику?

 

Околосветовая скорость

Согласно постулатам общей теории относительности, чем быстрее мы разгоняем частицу, обладающую некой массой, тем больше энергии для этого нам потребуется. При этом по мере приближения к скорости света эта энергия будет стремиться к бесконечности.

Однако это вовсе не означает, что свет на порядки быстрее всего во Вселенной. Например, ученые ЦЕРНа разогнали протоны в Большом адронном коллайдере до скорости 299 792 455 м/c, что всего на 3 м/с уступает невесомым фотонам света.

♥ ПО ТЕМЕ: БелАЗ-75710: 1 300 литров топлива на 100 км и другие 7 фактов о лучшем самосвале мира из Беларуси.

 

Сверхсветовая скорость

Описанные выше ограничения, которые накладывает на скорости во Вселенной современная физика, не касаются частиц, которые не имеют массы, не взаимодействуют с обычными частицами и могут перемещаться быстрее скорости света. Такие частицы принято называть тахионами и на данный момент их существование является лишь предположением (сложно придумать эффективный инструмент для их обнаружения, ведь они ни с чем не взаимодействуют).

Еще один популярный пример сверхсветовой скорости — это квантомеханические явления. В тот самый момент, когда вы надели на правую ногу один носок, второй моментально и автоматически стал левым, не взирая на расстояние между ними. Примерно по такому принципу осуществляется квантовая связь при измерении спина фотонов, при этом информация не передается, однако фактически одно одно состояние переходит в другое без прямого взаимодействия между объектами.

♥ ПО ТЕМЕ: Скрытый смысл логотипов известных компаний.

 

Скорость света наглядно

Ученые астрофизики в большинстве случаев лишены возможности проводить полноценные эксперименты в лабораториях, как это делают, например, биологи или химики, ввиду масштабов исследуемых процессов. При этом каждому астроному доступен самый большой полигон, на котором постоянно происходят грандиозные испытания — это вся обозримая Вселенная с квазарами, радиопульсарами, черными дырами и прочими любопытными объектами.

Однако самые интересные астрофизические открытия в наши дни выглядят как малопонятные сложные графики, а публика вынуждена довольствоваться обработанными снимками лишь нескольких инструментов, таких как телескоп имени Хаббла. Тем не менее, официальная наука нынче осознает важность медийной деятельности и всячески пытается визуализировать для обывателя процессы, которые невозможно просто представить в голове.

Например, сотрудник NASA Джеймс О’Донохью, продемонстрировал скорость света относительно нашей планеты (упразднив в своих расчетах влияние атмосферы) — луч света облетает Землю 7,5 раз всего за одну секунду, каждый раз преодолевая более 40 тысяч километров.

Расстояние до Луны составляет порядка 384 000 километров (в зависимости от текущего расположения объектов) и для его преодоления фотонам потребуется уже 1,22 секунды.

При передаче данных с Марса на Землю со скоростью света в момент максимального сближения планет придется ждать более шести минут, а при среднем удалении время ожидания затянется до получаса.

При этом от «красной планеты» нас отделяет в среднем 254 миллиона км, зонд New Horizons, к примеру, уже отлетел от Земли на 6,64 миллиарда км, а чтобы добраться до ближайшей планеты не Солнечной системы, необходимо пролететь 39,7 триллиона км.

Смотрите также:

Вычисление скорости света и ложность релятивистского утверждения, что наблюдаемая скорость не зависит от скорости наблюдателя | Андрей Платонов

Обычно говорят об измерении скорости света, но нужно помнить, что скорость – придуманное учеными физическое понятие и определение ее происходит с помощью вычисления по изобретенным учеными формулам. Самая простая формула v=l/t. Устройства для измерения скорости (спидометр и др.) обычно измеряют пройденное расстояние l и в соединении с данными часов, определяющих время t, преобразуют полученные данные в показания скорости.

Современные методы вычисления скорости света используют другую формулу:

υ = λ / Т = λ v

Т.к. распространение света – это электро-магнитный волновой процесс, то его скорость получают, умножаю длину волны λ на частоту колебаний ν .

Первое вычисление скорости света осуществил в 1676 г. Олаф Рёмер.

Период обращения ближайшего к Юпитеру спутника равен приблизительно 42,5 часа. Поэтому спутник должен был заслоняться Юпитером (или выходить из полосы затмения) каждые 42,5 часа. Но в течение полугода, когда Земля удаляется от Юпитера, затмения наблюдались каждый раз со все большим запаздыванием по сравнению с предсказанными сроками. Рёмер пришел к выводу, что свет распространяется не мгновенно, а имеет конечную скорость; поэтому ему требуется все больше времени для достижения Земли, по мере того как она, двигаясь по орбите вокруг Солнца, удаляется от Юпитера. (Из книги Бернарда Джеффа “Майкельсон и скорость света”).

Вследствии ошибок в представлениях того времени о диаметре орбиты Земли и в измерениях времени затмения скорость света была вычислена неточно и составила 222 000 км/сек.

Очень интересный способ определения скорости света использовал через полвека английский астроном Джеймс Брэдли, открывший явление аберрации.

Метод Брэдли http://www.laser-portal.ru/content_79

Метод Брэдли http://www.laser-portal.ru/content_79

Вследствие вращения Земли астрономы увидят световой луч от звезды только если телескоп повернут с упреждением (как при стрельбе по движущейся мишени, только в данном случае движется не мишень, а стрелок и летит не пуля от стрелка в мишень, а луч света от мишени-звезды к наблюдателю-стрелку). Таким образом кажущееся положение звезды на небосводе будет отличаться от реального на величину упреждения. Величина аберрации позволила Брэдли вычислить скорость света, исходя из формулы tg α = v/c (с – скорость света, v – скорость Земли). Его вычисления дали величину 308 000 км/сек.

Первое определение скорости света от земного источника провел француз Арман Физо

http://n-t.ru/ri/dj/mc02.htm

http://n-t.ru/ri/dj/mc02.htm

Физо измерил время, за которое свет проходил расстояние от C до зеркала A и обратно, равное 17,32 км. Слабостью этого метода было то, что момент наибольшей яркости света определялся наблюдателем на глаз. Такие субъективные наблюдения недостаточно точны.

Благодаря тому, что луч света проходил между зубьями быстро вращающегося колеса, Физо смог измерять очень маленькие промежутки времени – свет проходил расстояние 17 км за 1/18000 сек, и получил величину скорости света 312 000 км/сек.

Последующие опыты Фуко и Корню в подобных установках дали значения скорости света в 298 000 км/сек и 300 000 км/сек.

Установка Фуко. http://n-t.ru/ri/dj/mc02.htm

Установка Фуко. http://n-t.ru/ri/dj/mc02.htm

В установке Фуко расстояние проходимое лучом составляло всего 20 м.

В 1878 г. первые опыты по определению скорости света провел Альберт Абрахам Майкельсон.

***

Это интересно. Абрахам Майкельсон был Абрамом Михельсоном и родился в польском городе Стрельно в 1852 г. Вскоре семья эмигрировала в США. Отец Абрама Самуил попробовал себя в роли ювелира и торговца галантереей в Нью-Йорке, а затем, совершив трудное путешествие с семьей через Панаму в Калифорнию, открыл галантерейную лавку в лагере золотодобытчиков Мэрфи.
Отец был небогат и Абрахаму было трудно получить высшее образование. Президент США Грант, к которому 16-летний Майкельсон обратился и лично, и через поручителей, предоставил ему дополнительное место в Моской Академии. Майкельсон занимался боксом, фехтованием и теннисом и был лучшим боксером Академии в легком весе. Играл на скрипке, рисовал.

***

http://n-t.ru/ri/dj/mc04.htm

http://n-t.ru/ri/dj/mc04.htm

Первый прибор Майкельсона позволил вычислить значение скорость света 300 092 км/сек. Размер прибора составлял 150 метров. В последующем размеры прибора росли, а скорость уточнялась. В 1882 г. была определена скорость света 299 853 км/сек.

Новые эксперименты по определению скорости света были проведены Майкельсоном в 1924-1927 гг. на горе Маунт-Вильсон.

http://n-t.ru/ri/dj/mc13.htm

http://n-t.ru/ri/dj/mc13.htm

Результат составил 299 798 км/сек.

Современное значение скорости света получено с помощью измерения длины волны и частоты колебаний мазеров и лазеров и составляет 299 792 458 м/с.

Обзор проведенных экспериментов по определению скорости света позволяет утверждать:

1. Ни одного эксперимента, подтверждающего независимость скорости света от скорости наблюдателя никогда не проводилось!

2. Релятивистская интерпретация результатов опытов по измерения скорости света будто бы показывающих это – ложная. Во всех этих экспериментах показана лишь независимость скорости света от скорости движения источника света.

Интерферометр, движущийся вместе с Землей, не может показать интерференционную картину, вызванную движением Земли.

Еще раз повторим в чем состоит элементарная логическая ошибка релятивисткого толкования:

Обдумывая постановку своего опыта, Абрам Самойлович Михельсон, он же Albert Abraham Michelson, сравнивал смещение луча под действием эфира со смещением лодки под действием течения.

http://n-t.ru/ri/dj/mc05.htm

http://n-t.ru/ri/dj/mc05.htm

В опыте Майкельсона свет – это лодка, вода – эфир, относительно, которого движется лодка – свет, а движение воды относительно берега – это движение Земли относительно эфира. Все изображенные треугольники скоростей отражают наблюдения неподвижного наблюдателя, стоящего на берегу. Положение наблюдателя в опыте Майкельсона, двигающегося вместе с Землей, эквивалентно полжению наблюдателя, движущегося вместе с водой. Добавим в картинку наблюдателя, спокойно лежащего на надувном матрасе, плывущем по течению – это и будет сам Абрам Самойлович вместе со своим коллегой Морли. Естественно, так как он движется вслед за лодкой, то влияние на наблюдаемую им картину движение воды не окажет и до его матраса обе лодки, – и поперечная, и продольная доберутся одновременно!!!

Независимость вычисленной скорости света от скорости наблюдателя – не экспериментальный факт, а постулат (лучше сказать, догма) Специальной Теории Относительности Эйнштейна, построенной на логической ошибке интерпретации опыта Майкельсона.

Матвеев А.Н. – “Постоянство скорости света” (глава из книги)



Матвеев А.Н. – “Постоянство скорости света” (глава из книги)

[вернуться к содержанию сайта]

Матвеев А.

Н.
МЕХАНИКА И ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
(М.: Мир и образование, 2003. – фрагменты из книги)

стр. 84


13. Постоянство скорости света

    Справедливость преобразований Галилея может быть проверена сравнением следствий из них с экспериментом. Важнейшим следствием является формула сложения (12.10). Именно проверка этой формулы показала её приближённый характер. Отклонения от неё тем значительнее, чем больше скорость. Особенно они велики при скоростях, близких к скорости света. Эти отклонения впервые были открыты при исследовании скорости света, поведение которой с точки зрения классической физики оказалось не только странным, но и необъяснимым. Поэтому необходимо прежде всего рассмотреть вопрос о скорости света.

    Развитие взглядов на скорость света. Античные мыслители имели о свете представления двоякого рода. Платон (427—347 гг. до н. э.) придерживался теории зрительных лучей, которые исходят из глаза и как бы “ощупывают предметы”. Демокрит (460–370 гг. до н. э.) был сторонником теории атомов истечения, которые попадают от предметов в глаз. Аристотель (384–322 гг. до н. э.) также придерживался теории истечения. Однако геометрический характер, приданный оптике Евклидом (300 г. до н. э.), установившим учение о прямолинейном распространении лучей света и законы отражения, делал обе точки зрения практически эквивалентными. В дальнейшем получила перевес точка зрения атомов истечения, при этом считалось, что свет распространяется с очень большой скоростью и даже мгновенно. Это убеждение базировалось на аналогии с полётом стрелы из лука: траектория стрелы тем прямее, чем больше скорость стрелы.

    Основоположник новой физики Галилей (1564–1642) считал скорость света конечной, но не имел о ней никакого реального представления, пытаясь измерить её заведомо непригодными методами. Декарт (1596–1650) выдвинул новую точку зрения на свет, согласно которой свет есть давление, передаваемое через среду с бесконечной скоростью. Таким образом, Декартом ясно высказывается мысль о необходимости среды для передачи света. Гримальди (1618–1660) и Гук (1625–1695) предложили волновую точку зрения на свет: свет есть волновое движение в однородной среде. Но истинным создателем волновой теории света явился Христиан Гюйгенс (1629–1695), изложивший её перед Парижской Академией наук в 1678 г. Ньютон (1643–1727) неохотно высказывался о природе света, “не желая измышлять гипотез”. Однако он явно принимал корпускулярную теорию истечения, хотя и не настаивал на её безусловной правильности. В 1675 г. Ньютон писал: “Свет, по моему мнению, не следует определять ни как эфир, ни как колебательное движение эфира, но как нечто, распространяющееся от светящихся тел. Это нечто можно считать либо группой различных перипатетических качеств, либо, ещё лучше, множеством крайне малых и быстрых корпускул”.

    Определение скорости света Рёмером. Впервые скорость света была измерена в 1676 г. Рёмером. Наблюдения затмений спутников Юпитера показали, что видимый период их обращения уменьшается, когда Земля в своём годовом движении приближается к Юпитеру, и увеличивается, когда Земля удаляется от него. Рёмер понял, что этот эффект связан с конечной скоростью распространения света, и по результатам наблюдений вычислил эту скорость. На рис. 27 изображено положение спутника Юпитера в момент после затмения.


27. К определению скорости света Рёмером
Если в движущемся поезде производить выстрелы с интервалом, например, в одну секунду, то наблюдатель на полотне железной дороги, н которому этот поезд приближается, будет слышать их следующими друг за другом чаще чем через секунду. Наблюдатель, от которого поезд удаляется, будет слышать более редкие выстрелы.

    Поскольку период обращения Юпитера вокруг Солнца много больше периода обращения Земли вокруг Солнца, при расчёте можно считать Юпитер неподвижным. Пусть в некоторый момент спутник Юпитера выходит из его тени, что будет зафиксировано земным наблюдателем в момент

T1=t1+s1/c,                    (13. 1)

где s1 – расстояние между Землёй и точкой выхода спутника из тени в момент наблюдения, с – скорость света. После того как спутник совершит один оборот вокруг Юпитера, выход его из тени произойдёт в момент t2, а земной наблюдатель отметит в момент

T2=t2+s2/c,                    (13.2)

    Таким образом, согласно измерениям земного наблюдателя период обращения спутника

Tнабл= T2–T1= Tист+(s2 –s1)/c,                    (13.3)

где Tист= (t2t1) — истинный период обращения спутника. Таким образом, вследствие разности расстояний от Земли до Юпитера s2–s1 наблюдаемый период обращения спутника будет отличаться от истинного. Если проделать большое число измерений этого периода как при приближении Земли к Юпитеру, так и при удалении от него, то среднее значение полученных результатов будет равно истинному периоду, поскольку при усреднении члены (s2–s1)/c имеют различные знаки и взаимно уничтожаются.

    Зная Tист, можно по формуле (13.3) определить скорость света:

c=(s2–s1)/(Tнабл–Tист).                        (13.4)

    Величины s2 и s1 известны из астрономических вычислений, поскольку движения Юпитера и Земли хорошо изучены. Нетрудно, конечно, учесть и движение Юпитера. Проделав соответствующие расчёты, Рёмер получил значение скорости света c= 214300 км/с. Это было первое надёжное измерение скорости света с удовлетворительной для тех времён точностью.

    Аберрация света (Брадлей, 1727). Капли дождя в безветренную погоду падают вертикально. Однако на стекле движущегося горизонтально поезда они оставляют наклонный след. Это является следствием сложения вертикальной скорости капли и горизонтальной скорости поезда. Со светом наблюдается аналогичное явление, называемое аберрацией. В результате аберрации света кажущееся направление на звезду отличается от истинного (рис. 28) на угол (π/2)–α= β, называемый углом аберрации. Из рисунка видно, что

tgβ

= v/c,                        (13.5)

где v — составляющая скорости движения Земли, перпендикулярная направлению к Звезде, с — скорость света.

    Явление аберрации практически наблюдается следующим образом. Ось телескопа при каждом наблюдении в течение года ориентируется одинаковым образом в пространстве относительно звёздного неба, и при этом изображение звезды фиксируется в фокальной плоскости телескопа. В течение года это изображение описывает некоторый эллипс. Зная размеры эллипса и другие данные наблюдения, можно определить угол аберрации. Измерив α и зная v (скорость Земли), можно вычислить скорость света, что подтвердило результаты Рёмера в пределах той же точности.

    Различные трактовки скорости света. После того как установлена скорость света, возникает вопрос о том, от чего она зависит. Ответ на него в рамках существовавших в то время представлений был обусловлен взглядом на природу света.


28. При наблюдении света от звезды, расположенной перпендикулярно скорости движения Земли, ось телескопа необходимо ориентировать под углом β к истинному направлению на звезду из-за аберрации света.
Во время дождя при отсутствии ветра, чтобы не намокнуть, надо зонтик держать вертикально. Если те приходится бежать, то его необходимо наклонить в направлении движения.

    Если свет есть волнообразное движение однородной среды, то его скорость относительно этой среды является некоторой постоянной величиной, определяемой свойствами среды. Скорость же света относительно источника и наблюдателя является переменной величиной, зависящей от скорости источника или наблюдателя относительно этой среды, и находится по правилу сложения скоростей (12.10).

    Если свет есть поток быстрых корпускул, летящих от источника, то естественно считать, что скорость этих корпускул относительно источника имеет некоторое постоянное значение, а относительно наблюдателя складывается согласно (12.10) со скоростью наблюдателя относительно источника.

    Идея так называемого Мирового эфира и Абсолютной скорости. Авторитет Ньютона принёс победу корпускулярной точке зрения на свет. Волновая теория Гюйгенса, хотя и имела сторонников, в продолжение свыше ста лет была оттеснена на задний план. Однако в начале XIX столетия новые открытия в оптике в корне изменили положение. В 1801 г. Юнг установил принцип интерференции и на его основе объяснил цвета тонких пластинок. Однако эти представления Юнга, носившие скорее качественный характер, ещё не смогли завоевать всеобщего признания. Окончательный удар по корпускулярной теории был нанесён в 1818 г. Френелем, решившим на основе волновой теории проблему дифракции. Все попытки рассмотреть эту проблему в рамках корпускулярной теории оказались безуспешными. Идея работы Френеля базировалась на объединении принципа элементарных волн Гюйгенса с принципом интерференции Юнга. В течение нескольких лет после этого корпускулярная теория была полностью вытеснена из науки и общепринятой стала точка зрения на свет как на волновой процесс в среде. Эта среда, заполняющая всю Вселенную, получила название “Мирового эфира”. Задача заключалась в том, чтобы построить теорию света как теорию колебаний эфира. В дальнейшем роль эфира была расширена, он считался ответственным и за другие явления (тяготение, магнетизм, электричество). В работе по созданию теории Мирового эфира приняли участие многие выдающиеся учёные прошлого столетия. Однако сейчас эти работы имеют лишь исторический интерес и их нет необходимости освещать. Мы напомнили о Мировом эфире лишь для того, чтобы пояснить понятие Абсолютной скорости и методы её поисков.

    Согласно только что изложенным представлениям, эфир заполняет всё пространство, в котором движутся материальные тела, и неподвижен в этом пространстве. Скорость света относительно эфира является постоянной величиной, определяемой свойствами эфира. Материальные тела движутся относительно неподвижного эфира, заполняющего всё пространство. Ясно, что это движение тел относительно эфира носит абсолютный характер и отличается от движения материальных тел друг относительно друга. Действительно, если тело А движется относительно тела В со скоростью v, то её можно изменить, действуя силой как на тело А, так и на тело В. Изменить же движение тела А относительно эфира можно только приложением силы к нему, а не к какому-либо другому телу. Скорость тела относительно эфира была названа “Абсолютной”. Абсолютная скорость данного материального тела не зависит от движения других тел. Она, по идее, имела бы смысл даже тогда, когда все остальные тела перестали существовать. Возникает лишь вопрос, как её измерить.

    Идея измерения так называемой Абсолютной скорости. Поскольку скорость света относительно эфира постоянна, то относительно материальных тел, движущихся в эфире, она переменна и зависит от их скорости относительно эфира. Измерив скорость тела относительно света, или, что то же самое, скорость света относительно тела, можно определить скорость его относительно эфира (скорость света относительно эфира можно считать известной). Ситуация здесь совершенно аналогична той, когда гребцы в лодке, измерив скорость лодки относительно волн и зная скорость волн относительно неподвижной воды, могут найти свою скорость относительно воды.

    Попытка таким способом определить Абсолютную скорость Земли была выполнена Майкельсоном и Морли (1881, 1887)…

    …Баллистическая гипотеза. Имеется и другой путь объяснения результата опыта Майкельсона — Морли: можно с самого начала отказаться от эфира и считать, что свет является потоком материальных корпускул, т. е. вернуться к первоначальной точке зрения Ньютона. Естественно считать, что скорость этих корпускул относительно источника является постоянной величиной и складывается со скоростью источника по правилу параллелограмма.

    Поскольку в баллистической гипотезе скорость света относительно источника во всех направлениях имеет одно и то же значение, то никакой разности хода в опыте Майкельсона–Морли ожидать нельзя. Поэтому баллистическая гипотеза естественным образом объясняет результат этого опыта и позволяет избежать совершенно непонятного в рамках преобразований Галилея положения о постоянстве скорости света. Однако баллистическая гипотеза оказалась несостоятельной.

    Несостоятельность баллистической гипотезы. Проверку баллистической гипотезы можно сделать из астрономических наблюдений двойных звёзд, на которые впервые указал де-Ситтер в 1913 г. Двойная звезда представляет собой две сравнительно близко расположенные друг от друга звезды, движущиеся вокруг общего центра масс. Если одна из звёзд значительно массивнее другой, то можно считать, что менее массивная звезда движется вокруг более массивной, которая покоится. Такие двойные звёзды наблюдаются в довольно большом числе. По эффекту Доплера можно измерить скорость звёзд и вычислить элементы орбиты. Оказывается, что компоненты двойной звезды движутся по эллиптическим орбитам в соответствии с законами Кеплера, т. е. между ними действуют силы тяготения, убывающие обратно пропорционально квадрату расстояния между компонентами.


30. Наблюдение двойных звёзд.
Если бы была справедлива баллистическая гипотеза, то кроме изменения наблюдаемого движения двойной звезды должна была бы наблюдаться переменность её блеска. Действительно, имеется много переменных звёзд, но закон изменения их блеска не соответствует тому, который получается из баллистической гипотезы.

    Каких-либо странностей в движении компонент двойных звёзд не наблюдается. Между тем если бы была справедлива баллистическая гипотеза, то движение двойных звёзд представлялось бы весьма странным.

    Пусть наблюдение двойной звезды ведётся с достаточно большого расстояния s. Для простоты будем считать, что менее массивная звезда движется по окружности со скоростью v вокруг более массивной, которую можно считать неподвижной (рис. 30), и имеет период обращения Т. Луч света, испущенный в тот момент, когда звезда находилась в точке B (верхнее положение на рис. 30) и двигалась от наблюдателя, будет распространяться в направлении наблюдателя со скоростью с–v. Испущенный в момент t1, он достигнет глаза наблюдателя в момент

T1=t1+s/(с–v),                        (13.18)

где s — расстояние от звезды до наблюдателя. Через половину периода обращения Т/2 звезда испустит луч из точки А (нижнее положение на рис. 30), двигаясь но направлению к наблюдателю. Скорость этого луча при движении к наблюдателю равна с+v. Следовательно, луч, испущенный в точке А, достигнет глаза наблюдателя в момент

T2=t1+ T/2+s/(с+v).                        (13.19)

    Если расстояние s достаточно велико, то этот луч, имея большую скорость, может обогнать луч, испущенный в точке В. Это произойдёт на расстоянии s, для которого Т2= Т1. Нетрудно найти это расстояние из формул (13.18) и (13.19). На больших расстояниях луч из А может обогнать луч, испущенный из В на предыдущем обороте, и т. д. Тогда наблюдатель, находящийся на достаточно большом расстоянии, увидит звезду одновременно в нескольких точках орбиты.

    Таким образом, если бы баллистическая гипотеза была справедливой, то при наблюдении двойных звёзд астрономы должны были бы видеть довольно замысловатую картину. В действительности же ничего подобного нет.

    Наблюдаемая картина получается из предположения, что двойные звёзды движутся по законам Кеплера и скорость света постоянна, а не складывается со скоростью источника, как этого требует баллистическая гипотеза. Таким образом, баллистическая гипотеза оказывается опровергнутой.

    Несостоятельность баллистической гипотезы заставляет признать, что скорость света не зависит от скорости источника света. Результат опыта Майкельсона–Морли показывает, что она не зависит также и от скорости наблюдателя. Поэтому делается вывод, что скорость света является постоянной величиной, не зависящей ни от скорости источника, ни от скорости наблюдателя.

    Несовместимость постоянства скорости света с привычными представлениями. Постоянство скорости света находится в глубоком противоречии с привычными представлениями повседневного опыта и с формулами сложения скоростей (12.10), которые являются следствием преобразований Галилея. Таким образом, можно сказать, что преобразования Галилея (12.2) противоречат экспериментальному факту постоянства скорости света. Однако это противоречие становится заметным лишь для достаточно больших скоростей.

    Представим себе поезд, который движется со скоростью 100 км/ч относительно полотна железной дороги. Если вдоль вагона в направлении движения поезда идёт человек со скоростью 5 км/ч относительно поезда, то скорость этого человека относительно полотна железной дороги равна 105 км/ч. Этот результат понятен и полностью согласуется с привычными представлениями о пространстве и времени, выражением которых в рассматриваемом случае является формула сложения скоростей классической механики. Эксперимент неоднократно подтверждал эту формулу.

    Представим теперь ракету, которая движется со скоростью 100000 км/с относительно Земли. Пусть в ракете в направлении её движения перемещается некоторый предмет со скоростью 100000 км/с относительно ракеты. Спрашивается, какова будет скорость этого предмета относительно Земли? Если бы измерить её, то получилось бы значение около 164000 км/с. Хотя описанный опыт с ракетой не производился, но проводились многочисленные другие опыты, которые показали, что формула сложения скоростей (12.10) не является правильной. При скоростях, много меньших скорости света, эта неправильность не замечается, поскольку отклонения от этой формулы чрезвычайно малы. Впервые в эксперименте неправильность формулы сложения скоростей была обнаружена в середине прошлого столетия. Но в то время учёные не смогли осознать этот факт.

    Идея опыта Физо. Задолго до того, как возникло представление о постоянстве скорости света и был установлен приближенный характер преобразований Галилея, в физике был известен опыт, который указывал на странный закон сложения больших скоростей, сравнимых со скоростью света. Это был опыт Физо, выполненный в 1860 г.

    Идея опыта Физо состояла в измерении скорости света в движущейся материальной среде, например воде. Пусть и’=с/п – скорость света в среде, п — показатель преломления среды. Если среда, в которой распространяется свет, сама движется со скоростью v, то скорость света относительно покоящегося наблюдателя должна быть и’±v в зависимости от того, одинаково или противоположно направлены скорости света и среды. В своём опыте Физо сравнил скорости лучей света в направлении движения среды и против этого направления.

    Схема опыта Физо изображена на рис. 31. Монохроматический луч от источника А падает на полупрозрачную пластинку В и разделяется на два когерентных луча. Луч, отразившийся от пластинки, проходит путь BKDEB (К, D, Е — зеркала), а прошедший через пластинку В — путь BEDKB, т. е. противоположно предыдущему. Первый луч, возвратившись к пластинке В, частично отражается от неё и попадает в интерферометр F. Второй луч, возвратившись к пластинке В, частично проходит через неё и также попадает в интерферометр F. Оба луча проходят один и тот же путь, причём на участках BE и KD эти пути проходят через жидкость, которая течёт по трубе. Если жидкость покоится, то пути обоих лучей совершенно эквивалентны и время их прохождения в обоих направлениях одно и то же, разницы никакой нет.


31. Схема опыта Физо.

    Если же жидкость движется, пути лучей не эквивалентны: скорость одного из них на указанных участках направлена по течению жидкости, а другого — против течения. Вследствие этого возникает разность хода — один из лучей запаздывает по сравнению с другим. По интерференционной картине можно определить эту разность хода, а по ней вычислить скорость света на участках с жидкостью, потому что известны скорость света на остальных участках и длина всех участков пути…

    …Результат опыта Физо. В опыте Физо было получено следующее значение коэффициента k:

k=1–1/п2,                        (13. 23)

где n — показатель преломления жидкости. Таким образом, скорости света в жидкости и жидкости не складываются по формуле сложения скоростей классической механики. С обыденной привычной точки зрения этот результат столь же удивителен, как и утверждение о постоянстве скорости света в вакууме. Однако в те годы, когда был выполнен опыт Физо, его результат не вызвал удивления. Дело в том, что Френель задолго до опыта Физо показал, что материя, движущаяся в эфире, должна за собой лишь частично увлекать эфир, и величина этого увлечения в точности соответствует результату опыта Физо.

    Лишь после создания теории относительности стало ясным, что в опыте Физо впервые была экспериментально доказана несправедливость классического закона сложения скоростей и преобразований Галилея.

    Постулативный характер постоянства скорости света. Утверждение о постоянстве скорости света в вакууме, т. е. независимость скорости света от скорости источника и скорости наблюдателя, является естественным выводом из многих экспериментальных фактов. Выше были описаны лишь те эксперименты и соображения, которые исторически были первыми. В дальнейшем это утверждение выдержало другие многочисленные экспериментальные проверки. Главным же его подтверждением является согласие с экспериментом всех тех выводов, которые из него следуют. Эти подтверждения очень многочисленны, потому что вся современная физика больших скоростей и высоких энергий основывается на постулате постоянства скорости света.

    Тем не менее в своём абсолютном виде утверждение “о постоянстве скорости света является постулатом, т. е. допущением, выходящим за пределы прямой экспериментальной проверки. Это связано с конечной точностью экспериментальных проверок, как это было объяснено выше в связи с постулативным характером принципа относительности.

Дата установки: 28.03.2010
[вернуться к содержанию сайта]


ГРАВИТАЦИЯ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА

Наука и жизнь // Иллюстрации

Недавно проведенные астрономические наблюдения показали, что гравитация распространяется со скоростью света. До сих пор это только предполагалось, но экспериментальных подтверждений не имелось. Знать скорость распространения тяготения необходимо для построения теорий, связывающих две области физики – квантовую механику и общую теорию относительности, теорию гравитации.

Физик-теоретик Сергей Копейкин, работающий в Университете Миссури в Колумбии (США), в 1999 году рассчитал, как гравитационные поля движущихся тел отклоняют радиоволны и свет. Измерив величину отклонения, можно вычислить скорость гравитации.

И только 8 сентября 2002 года представилась возможность провести измерения: Юпитер закрыл один из мощных источников радиоизлучения – квазар J0842+1835, находящийся на расстоянии 9 миллионов световых лет от Земли. Поле тяготения Юпитера отклонило радиоволны, сыграв роль гравитационной линзы (см. “Наука и жизнь” № 2, 1994 г.) и превратив изображение квазара из точки в так называемое “кольцо Эйнштейна” – явление было предсказано общей теорией относительности. Если бы скорость распространения гравитации была бесконечно большой, кольцо имело бы вид идеальной окружности. Если же скорость гравитации конечна, то, по расчетам Копейкина, оно сожмется в эллипс. Однако это искажение очень мало, и измерить его нелегко.

Сергей Копейкин и его коллега Эдвард Фомалонт из Национальной радиообсерватории в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния, для измерений использовали сеть радиотелескопов в США и Германии, собранных в интерферометр со сверхдлинной базой. Это позволило с чрезвычайно высокой точностью установить положение квазара в каждый момент времени прохождения по нему Юпитера. По траектории ученые вычислили скорость гравитации – она оказалась равной скорости света плюс или минус 20 процентов.

Полученный результат интересен и еще по одной причине. Астрофизики давно ищут ответ на вопрос: какую размерность имеет наша Вселенная? (См. “Наука и жизнь” № 8, 2002 г.) В микромире, например, ряд теорий предполагает существование двенадцати измерений (см. “Наука и жизнь” №№ 8, 9, 1996 г.; №№ 2, 3, 1997 г.). И если бы во Вселенной кроме известных нам трех измерений имелось хотя бы еще одно, гравитационное поле могло бы “срезать” путь через него. Теперь стало ясно, что этого не происходит. Однако делать какие-либо заключительные выводы еще рано – нужны новые эксперименты, использующие другие методы. К тому же американский астрофизик Клиффорд Вилл, один из ведущих специалистов в области экспериментальной проверки теории относительности, считает методику С. Копейкина не вполне корректной. Он полагает, что даже если скорость гравитации не равна скорости света, заметить это предложенным методом невозможно. Российский физик с ним не согласен.

Нейтрино движется быстрее скорости света! — ФПФЭ

В пятницу 23 сентября в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации OPERA, посвященная прямому измерению скорости движения нейтрино. Результаты звучат сенсационно: скорость нейтрино оказалась слегка — но статистически достоверно! — больше скорости света. Статья коллаборации содержит анализ разнообразных источников погрешностей и неопределенностей, однако реакция подавляющего большинства физиков остается очень скептической, прежде всего потому, что такой результат не согласуется с другими экспериментальными данными по свойствам нейтрино.


Рис. 1. Общий вид той части ЦЕРНа, где протонный пучок выводится из ускорителя SPS и порождает нейтринный пучок, летящий в направлении лаборатории Гран-Сассо. Изображение из обсуждаемой статьи

Подробности эксперимента

Идея эксперимента (см. OPERA experiment) очень проста. Нейтринный пучок рождается в ЦЕРНе, летит сквозь Землю в итальянскую лабораторию Гран-Сассо и проходит там сквозь специальный нейтринный детектор OPERA. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, но из-за того, что их поток из ЦЕРНа очень велик, некоторые нейтрино всё же сталкиваются с атомами внутри детектора. Там они порождают каскад заряженных частиц и тем самым оставляют в детекторе свой сигнал. Нейтрино в ЦЕРНе рождаются не непрерывно, а «всплесками», и если мы знаем момент рождения нейтрино и момент его поглощения в детекторе, а также расстояние между двумя лабораториями, мы можем вычислить скорость движения нейтрино.

Расстояние между источником и детектором по прямой составляет примерно 730 км и измерено оно с точностью 20 см (точное расстояние между реперными точками составляет 730 534,61 ± 0,20 метров). Правда, процесс, приводящий к рождению нейтрино, вовсе не локализован с такой точностью. В ЦЕРНе пучок протонов высокой энергии вылетает из ускорителя SPS, сбрасывается на графитовую мишень и порождает в ней вторичные частицы, в том числе мезоны. Они по-прежнему летят вперед с околосветовой скоростью и на лету распадаются на мюоны с испусканием нейтрино. Мюоны тоже распадаются и порождают дополнительные нейтрино. Затем все частицы, кроме нейтрино, поглощаются в толще вещества, а те беспрепятственно долетают до места детектирования. Общая схема этой части эксперимента приведена на рис. 1.

Весь каскад, приводящий к появлению нейтринного пучка, может растянуться на сотни метров. Однако поскольку все частицы в этом сгустке летят вперед с околосветовой скоростью, для времени детектирования нет практически никакой разницы, родилось нейтрино сразу или через километр пути (однако имеет большое значение, когда именно тот исходный протон, который привел к рождению данного нейтрино, вылетел из ускорителя). В результате рожденные нейтрино по большому счету просто повторяют профиль исходного протонного пучка. Поэтому ключевым параметром здесь является именно временной профиль пучка протонов, вылетающих из ускорителя, в особенности — точное положение его переднего и заднего фронтов, а этот профиль измеряется с хорошим временным разрешением (см. рис. 2).


Рис. 2. Типичный профиль интенсивности протонного пучка, вылетающего из ускорителя SPS. Справа показана наносекундная структура пучка. Время на этом графике «течет» слева направо. Изображение из обсуждаемой статьи

Каждый сеанс сброса протонного пучка на мишень (по-английски такой сеанс называется spill, «выплеск») длится примерно 10 микросекунд и приводит к рождению огромного числа нейтрино. Однако практически все они пролетают Землю (и детектор) насквозь без взаимодействия. В тех же редких случаях, когда детектор всё-таки регистрирует нейтрино, невозможно сказать, в какой именно момент в течение 10-микросекундного интервала оно было испущено. Анализ можно провести лишь статистически, то есть накопить много случаев детектирования нейтрино и построить их распределение по временам относительно момента начала отсчета для каждого сеанса. В детекторе за начало отсчета принимается тот момент времени, когда условный сигнал, движущийся со скоростью света и излученный ровно в момент переднего фронта протонного пучка, достигает детектора. Точное измерение этого момента стало возможно благодаря синхронизации часов в двух лабораториях с точностью в несколько наносекунд.


Рис. 3. Распределение моментов регистрации нейтрино относительно условного начала отсчета. По горизонтальной оси показано время в наносекундах, по вертикальной — количество нейтринных событий с такой задержкой по времени. Красная линия показывает гипотетический «опорный» сигнал. Изображение из обсуждаемой статьи

На рис. 3 показан пример такого распределения. Черные точки — это реальные нейтринные данные, зарегистрированные детектором и просуммированные по большому числу сеансов. Красная кривая показывает условный «опорный» сигнал, который двигался бы со скоростью света. Видно, что данные начинаются примерно на 1048,5 нс раньше опорного сигнала. Это, впрочем, еще не означает, что нейтрино действительно на микросекунду опережает свет, а является лишь поводом для того, чтобы тщательно перемерить все длины кабелей, скорости срабатывания аппаратуры, времена задержки электроники и так далее. Эта перепроверка была выполнена, и оказалось, что она смещает «опорный» момент на 988 нс. Таким образом, получается, что нейтринный сигнал действительно обгоняет опорный, но лишь примерно на 60 наносекунд. В пересчете на скорость нейтрино это отвечает превышению скорости света примерно на 0,0025%.

Погрешность этого измерения была оценена авторами анализа в 10 наносекунд, что включает в себя и статистическую, и систематическую погрешности. Таким образом, авторы утверждают, что они «видят» сверхсветовое движение нейтрино на уровне статистической достоверности в шесть стандартных отклонений.

Отличие результатов от ожиданий на шесть стандартных отклонений уже достаточно велико и называется в физике элементарных частиц громким словом «открытие». Однако надо правильно понимать это число: оно лишь означает, что вероятность статистической флуктуации в данных очень мала, но не говорит о том, насколько надежна методика обработки данных и насколько хорошо физики учли все инструментальные погрешности. В конце концов, в физике элементарных частиц имеется немало примеров, когда необычные сигналы с исключительно большой статистической достоверностью не подтверждались другими экспериментами.

Чему противоречат сверхсветовые нейтрино?

Вопреки широко распространенному мнению, специальная теория относительности не запрещает само по себе существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Однако для таких частиц (их обобщенно называют «тахионы») скорость света тоже является пределом, но только снизу — они не могут двигаться медленнее нее. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.

Гораздо более серьезные проблемы начинаются в квантовой теории поля. Эта теория приходит на смену квантовой механике, когда речь идет про квантовые частицы с большими энергиями. В этой теории частицы — это не точки, а, условно говоря, сгустки материального поля, и рассматривать их отдельно от поля нельзя. Оказывается, что тахионы понижают энергию поля, а значит, делают вакуум нестабильным. Пустоте тогда выгоднее спонтанно рассыпаться на огромное число этих частиц, и потому рассматривать движение одного тахиона в обычном пустом пространстве просто бессмысленно. Можно сказать, что тахион — это не частица, а нестабильность вакуума.

В случае тахионов-фермионов ситуация несколько сложнее, но и там тоже возникают сравнимые трудности, мешающие созданию самосогласованной тахионной квантовой теории поля, включающей обычную теорию относительности.

Впрочем, это тоже не последнее слово в теории. Так же, как экспериментаторы измеряют всё, что поддается измерению, теоретики тоже проверяют все возможные гипотетические модели, которые не противоречат имеющимся данным. В частности, существуют теории, в которых допускается небольшое, не замеченное пока отклонение от постулатов теории относительности — например, скорость света сама по себе может быть переменной величиной. Прямой экспериментальной поддержки у таких теорий пока нет, но они пока и не закрыты.

Под этой краткой зарисовкой теоретических возможностей можно подвести такой итог: несмотря на то что в некоторых теоретических моделях движение со сверхсветовой скоростью возможно, они остаются исключительно гипотетическими конструкциями. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные описываются стандартными теориями без сверхсветового движения. Поэтому если бы оно достоверно подтвердилось хоть для каких-нибудь частиц, квантовую теорию поля пришлось бы кардинально переделывать.

Стоит ли считать результат OPERA в этом смысле «первой ласточкой»? Пока нет. Пожалуй, самым главным поводом для скепсиса остается тот факт, что результат OPERA не согласуется с другими экспериментальными данными по нейтрино.

Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.

Тут, конечно, можно сказать, что нейтрино, рождающиеся при вспышках сверхновых, и нейтрино из ЦЕРНа сильно различаются по энергии (несколько десятков МэВ в сверхновых и 10–40 ГэВ в описываемом эксперименте), а скорость нейтрино меняется в зависимости от энергии. Но это изменение в данном случае работает в «неправильную» сторону: ведь чем выше энергия тахионов, тем ближе их скорость должна быть к скорости света. Конечно, и тут можно придумать какую-то модификацию тахионной теории, в которой эта зависимость была бы совсем другой, но в таком случае придется уже обсуждать «дважды-гипотетическую» модель.

Далее, из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. Если результат OPERA воспринимать как проявление сверхсветового движения нейтрино, то тогда величина квадрата массы хотя бы одного нейтрино будет порядка –(100 МэВ)2 (отрицательный квадрат массы — это и есть математическое проявление того, что частица считается тахионом). Тогда придется признать, что все сорта нейтрино — тахионы и обладают примерно такой массой. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.

Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.

Что дальше?

Во всех больших коллаборациях в физике элементарных частиц нормальной практикой является ситуация, когда каждый конкретный анализ выполняется небольшой группой участников, и лишь затем результаты выносятся на общее обсуждение. В данном случае, по-видимому, этот этап был слишком кратким, в результате чего далеко не все участники коллаборации согласились подставить свою подпись под статьей (полный список насчитывает 216 участников эксперимента, а у препринта имеется лишь 174 автора). Поэтому в ближайшее время, по всей видимости, внутри коллаборации будет проведено множество дополнительных проверок, и только после этого статья будет послана в печать.

Конечно, сейчас можно ожидать и поток теоретических статей с разнообразными экзотическими объяснениями этого результата. Однако пока заявленный результат не будет надежно перепроверен, считать его полноправным открытием нельзя.

Источник

Как была определена скорость света и кто ее нашел, когда? Насколько близка оценка в 186 000 м/с к «фактической» скорости света?


Вопрос задан: Чак Бейкер

Ответить

Хотя Галилей был первым известным человеком, который попытался определить скорость света, ему это не удалось. Его эксперименты проводились на земных расстояниях, и доступные ему методы измерения времени были слишком грубыми, чтобы сделать успешное определение, учитывая такие расстояния и очень большую скорость света.

Датский астроном Олаус Ремер в 1676 году впервые успешно измерил скорость света. Его метод основывался на наблюдениях затмений спутников Юпитера (Юпитером).

Ремер заметил, что наблюдаемый интервал времени между последовательными затмениями данной луны был примерно на семь минут больше, когда наблюдения проводились, когда Земля по своей орбите удалялась от Юпитера, чем когда она двигалась к Юпитеру. Он рассудил, что когда Земля удаляется от Юпитера, наблюдаемое время между затмениями увеличивается по сравнению с истинным значением (примерно на 3.5 минут) из-за дополнительного расстояния, которое должен был пройти свет от каждого последующего затмения, чтобы достичь Земли. Наоборот, когда Земля двигалась к Юпитеру, наблюдаемый интервал между затмениями уменьшался (примерно на 3,5 минуты) из-за уменьшения расстояния, которое свет должен был пройти за каждое затмение. очередное затмение.

Если бы Земля не двигалась, свету от последовательных затмений пришлось бы проходить такое же расстояние до Земли, чтобы можно было наблюдать истинный интервал между затмениями.Однако, когда Земля удалялась от Юпитера, свету приходилось преодолевать большее расстояние, чтобы достичь Земли от каждого последующего затмения, и, наоборот, меньшее расстояние, когда Земля приближалась к Юпитеру. Поскольку скорость Земли по ее орбите была известна, можно было рассчитать расстояние, на которое Земля перемещалась между затмениями. Затем была оценена скорость света, чтобы объяснить семиминутное общее изменение наблюдаемого интервала между последовательными затмениями.

Ремер оценил скорость света в 140 000 миль в секунду, что очень хорошо, учитывая использованный метод.

Для дальнейшего обсуждения способов измерения скорости света см.:

«Руководство Азимова по науке», Исаак Азимов, Basic Books, Inc., (1972), стр. 342-347.

Краткое изложение предложенного Ремером метода см.:

«Справочник по физике», WF Magie, Ed., Harvard Univ. Press, (1963), стр. 335-337.
Отвечает: Уоррен Дэвис, доктор философии, президент Davis Associates, Inc., Ньютон, Массачусетс, США

Еще со времен Ремера разные ученые предпринимали множество различных попыток более точного измерения скорости света.Вот краткое изложение их имен и значений, которые они получили:

900 36 299 793. 1 (0.3)
Дата Исследователь Метод Результат (км/с) (Ошибка)
1849 Физо Вращающаяся зубчатые колеса 313000 (5000)
1850 Фуко вращающегося зеркала 298000 (2000)
1875 Корню Вращающееся зеркало 299 990 (200)
1880 Michelson Michelson 2990910 (159)
1883 NewComb Riving Mirror 299 860 (30)
1928 Mittelstaedt Керр затвор клеток 299778 (10)
тысячи девятьсот тридцать две Пиза и Пирсон вращающееся зеркало 299774 (2)
1940 Huttel клеток затвор Керры 299 768 (10)
1951 Бергстранд Затвор ячейки Керра

Ссылка: «Введение в современную оптику», Грант Р. Фаулз, Dover Publications, Нью-Йорк, 1989, стр. 6
Ответ: Я хотел бы добавить, что скорость света, наконец, была определена как как 299 792 458 м/с, точно. Это сделано, поскольку мы считаем, что с является истинной константой природа. Итак, теперь определение метра непосредственно зависит от определения

Как измерить скорость света с помощью фонарей, колес и планет

Свет распространяется очень быстро.Это так быстро, что довольно сложно определить значение скорости света. Но важна не только скорость света: это значение также появляется в других местах, таких как принцип эквивалентности энергии и массы ( E =* mc 2 *). Вот три различных метода, которые использовались для вычисления этой константы.

Холмы и фонари

Когда упоминается имя Галилея, большинство людей думают о его вкладе в наблюдательную астрономию. Тем не менее, он сделал много других вещей, включая исследование скорости света.В его время многие люди считали свет чем-то мгновенным, не имеющим скорости.

Вот метод Галилея для измерения скорости света. Возьмите два фонаря ночью и разнесите их на большое расстояние, но не слишком далеко, чтобы их не было видно. Два фонаря держат два разных человека, и у них есть затвор, так что вы можете включать и выключать их.

Контент

Этот контент также можно просмотреть на сайте, на котором он создан.

Конечно, это не очень удобный метод измерения скорости света. Допустим, я могу поставить фонарь на расстоянии 1 километра от наблюдателя и его все равно видно. Время, которое требуется свету, чтобы добраться туда и обратно, ничтожно по сравнению со временем реакции человека на другом конце. О, добавьте к этому проблему соблюдения точного времени. Этот метод может работать для измерения скорости звука, но не для света. В конце концов, значение Галилея для скорости света было «по крайней мере очень быстрым.

Спутники Юпитера

Из многих спутников Юпитера есть четыре больших, которые можно увидеть в хороший бинокль. Еще лучше тот факт, что эти спутники имеют очень регулярные и предсказуемые орбиты. На самом деле, вы можете использовать движение лун Юпитера для измерения скорости света

Именно это и сделал Оле Ремер в 1676 г. В частности, он смотрел на луну Ио, пытаясь, возможно, использовать лунную орбиту в качестве своего рода навигационного ориентира. часы (точные часы построить было не так-то просто).Ремер измерил орбиту, взглянув на время, которое проходит от одного затмения Юпитера до следующего затмения. Он обнаружил, что обращение Ио вокруг Юпитера занимает меньше времени, когда Земля находится ближе к Юпитеру.

Если вы посмотрите на разницу в расстоянии между Землей, когда она находится ближе всего к Юпитеру и когда она дальше всего, то расстояние равно диаметру орбиты Земли. Когда Земля находится дальше, свету от Ио требуется больше времени, чтобы добраться до Земли, что приводит к более длительному периоду обращения Ио. Таким образом, простое измерение изменения видимого периода и изменения расстояния дает оценку скорости света. Именно так Ремер оценил скорость света.

Как определяли и измеряли скорость звука и скорость света?

Крис Оутс, физик отдела времени и частоты Национального института стандартов и технологий (NIST), объясняет.

Несмотря на различия между светом и звуком, в большинстве измерений соответствующих скоростей использовались одни и те же два основных метода.Первый метод основан на простом измерении времени, которое требуется световому или звуковому импульсу для прохождения известного расстояния; Разделив расстояние на время в пути, вы получите скорость. Второй метод использует волновую природу, общую для этих явлений: измеряя как частоту (f), так и длину волны () распространяющейся волны, можно вывести скорость волны из простого волнового соотношения, скорость = f × . (Частота волны — это количество гребней, проходящих в секунду, тогда как длина волны — это расстояние между гребнями). Хотя эти два явления имеют общие подходы к измерению, фундаментальные различия между светом и звуком привели к очень разным экспериментальным реализациям, а также к разным историческим разработкам в определении их скоростей.

В простейшей форме звук можно представить как продольную волну, состоящую из сжатий и растяжений среды в направлении распространения. Поскольку звуку для распространения требуется среда, скорость звуковой волны определяется свойствами самой среды (такими как плотность, жесткость и температура).Таким образом, эти параметры должны быть включены в любые сообщаемые измерения. На самом деле можно перевернуть такие измерения и реально использовать их для определения термодинамических свойств среды (например, отношения удельных теплоемкостей).

Первый известный теоретический трактат о звуке был представлен сэром Исааком Ньютоном в его Principia, , в котором было предсказано значение скорости звука в воздухе, которое примерно на 16 процентов отличается от принятого в настоящее время значения. Ранние экспериментальные значения были основаны на измерении времени, которое требуется звуку пушечных выстрелов, чтобы покрыть заданное расстояние, и были лучше, чем 1 процент от принятого в настоящее время значения 331.5 м/с при 0 градусов Цельсия. Даниэль Колладон и Шарль-Франсуа Штурм впервые провели аналогичные измерения в воде Женевского озера в 1826 году. Они обнаружили значение всего на 0,2 процента ниже принятого в настоящее время значения ~1440 м/с при 8 градусах Цельсия. среды на больших расстояниях, поэтому большинство последующих определений было выполнено в лаборатории, где можно было лучше контролировать параметры окружающей среды и исследовать большее разнообразие газов и жидкостей.В этих экспериментах часто используются трубки с газом или жидкостью (или стержни из твердого материала) точно откалиброванной длины. Затем можно вывести скорость звука из измерения времени, которое требуется звуковому импульсу для прохождения по трубе. В качестве альтернативы (и обычно более точно) можно возбудить резонансные частоты трубы (во многом как у флейты), вызывая вибрацию на одном конце с помощью громкоговорителя, камертона или другого типа преобразователя. Поскольку соответствующие резонансные длины волн имеют простую зависимость от длины трубы, можно определить скорость звука по волновому соотношению и внести поправки на геометрию трубы для сравнения со скоростями в свободном пространстве.

Волновая природа света сильно отличается от природы звука. В своей простейшей форме электромагнитная волна (например, световая, радио или микроволновая) является поперечной и состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей, перпендикулярных направлению распространения. Более того, хотя среда, через которую проходит свет, влияет на его скорость (уменьшая ее на показатель преломления материала), свет также может проходить через вакуум, что обеспечивает уникальный контекст для определения его скорости.На самом деле, скорость света в вакууме с является фундаментальным строительным блоком теории относительности Эйнштейна, потому что она устанавливает верхний предел скоростей во Вселенной. В результате он появляется в широком диапазоне физических формул, возможно, самой известной из которых является E=mc 2 . Таким образом, скорость света можно измерить различными способами, но из-за ее чрезвычайно высокого значения (~ 300 000 км / с или 186 000 миль / с) ее изначально было значительно труднее измерить, чем скорость звука. Ранние попытки, такие как пара наблюдателей Галилея, сидящих на противоположных холмах и мигающих фонарями взад и вперед, не имели технологии, необходимой для точного измерения времени прохождения всего в несколько микросекунд.Примечательно, что астрономические наблюдения в 18 веке привели к определению скорости света с погрешностью всего в 1 процент. Однако для более качественных измерений требовались лабораторные условия. Луи Физо и Леон Фуко смогли выполнить обновленные версии эксперимента Галилея за счет использования оригинальных комбинаций вращающихся зеркал (наряду с улучшенной технологией измерения) и провели серию прекрасных измерений скорости света. С дальнейшими улучшениями Альберт А.Майкельсон выполнил измерения с точностью почти до одной десятитысячной.

Метрология скорости света резко изменилась с определением, сделанным здесь, в NIST в 1972 году. Это измерение было основано на гелий-неоновом лазере, частота которого фиксировалась петлей обратной связи, чтобы соответствовать частоте, соответствующей расщеплению между двумя квантованными энергиями. уровней молекулы метана. И частота, и длина волны этого высокостабильного лазера были точно измерены, что привело к 100-кратному снижению неопределенности значения скорости света.Это измерение и последующие измерения, основанные на других атомных/молекулярных стандартах, были ограничены не методом измерения, а неопределенностью определения самого измерителя. Поскольку было ясно, что будущие измерения будут аналогичным образом ограничены, 17-я Конференция Gnrale des Poids et Mesures (Генеральная конференция по мерам и весам) в 1983 году решила переопределить метр с точки зрения скорости света. Таким образом, скорость света стала константой (определяемой как 299 792 458 м/с), и ее больше никогда не измеряли.В результате определение метра напрямую связано (через соотношение c=f×) с определением частоты, которая на сегодняшний день является наиболее точно измеряемой физической величиной (в настоящее время лучшие цезиевые атомные фонтанные часы имеют относительную погрешность частоты примерно 1х10 -15 ).

Скорость света | Обсерватория Лас-Кумбрес

Сегодня любой 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 годах с помощью интерферометрии было получено самое точное значение скорости света, которое когда-либо было измерено: 299 792,4562 ± 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.

Наблюдая за молнией и слушая гром летний ливень, ясно, что скорость света намного больше скорости звука. Вы видите отдаленную вспышку молнии задолго до того, как вы услышите гром, который он вызвал. Аристотель и древние греки считали, что скорость света бесконечна. мы увидели вещи мгновенно. Сегодня мы знаем скорость света составляет 299 792 человека.458 км/с (то есть около 186 000 м/с). мы будем округлять до 300 000 км/с и присвойте скорости света специальный символ в. То есть скорость света

c = 300 000 км/с = 3 x 10 8 м/с

Это означает, что свету требуется всего около четырех минут, чтобы пройти 140 миллионов километров (или 93 миллиона миль) от нашего Солнца на Землю.

Галилей первым попытался измерить скорость света. Он использовал метод, который успешно применялся для измерения скорость звука.Разместив помощника на дальнем холм, он быстро снял крышку с фонаря. Его помощник быстро ответил, сняв крышку со своего фонаря. Галилео затем попытался измерить время, прошедшее между его обнаружением его фонарь и то, что он видит свет от фонаря своего помощника. Он делал это с несколькими разными помощниками и на разных расстояния. Галилей правильно сделал вывод, что скорость света был настолько быстрым, что он действительно измерял время реакции его помощники, а не скорость света.

Астрономические наблюдения были удивительно точными в течение очень долгого времени. много времени. В 1675 году датский астроном Олаус Ремер обнаружил расхождение около двадцати минут во времени, которое Юпитер Луны затмились, когда они шли позади Юпитера, в зависимости от Положение Земли на ее орбите вокруг нашего Солнца. Эта разница во времени было связано с дополнительным расстоянием света от Юпитера Луны должны были двигаться, как показано на рис. 16.5. Ремер использовал это данные для расчета скорости света.Его расчетное значение был низким, потому что в то время считалось, что радиус орбиты Земли быть меньше, чем есть на самом деле.

Рис. 16.5 Ремер обнаружил, что спутники Юпитера затмение произошло раньше, когда Земля находилась в положении А, и позже, когда Земля находился в положении B. Эта разница во времени обусловлена ​​дополнительным расстояние, которое должен пройти свет от Юпитера, когда Земля находится в положении Б.

В 1727 году английский астроном Джеймс Брэдли рассчитал скорость света, используя тщательные измерения изменения в звезде положение в зависимости от его расположения относительно направления орбитальной скорости Земли.Это изменение положения или изменение угол известен как угол аберрации звездного света и похоже на изменение направления капель дождя, которое мы мера от движущегося кабриолета или стационарного кабриолета. Измеренное значение Брэдли было очень близко к сегодняшнему значению в 300 000. км/с.

В девятнадцатом веке французский физик Ипполит Физо измерил скорость света с помощью зубчатого колеса и зеркало. Когда колесо вращалось с нужной скоростью, обратно в положение, позволяющее отраженному свету проходить через следующее отверстие в колесе. Тогда скорость света может быть определяется путем измерения расстояния между колесом и зеркалом и измеряя скорость колеса.

Вариант этого эксперимента был тщательно доработан американцами. Физик Альберт Майкельсон, которого по праву называют «хозяин света». Майкельсон был мичманом в Военно-морскую академию США, а затем вернулся в качестве инструктора. Он нес проводить там исследования, измеряя скорость света с большим точность.Сегодня линия круглых латунных маркеров показывает местоположение светового луча в ранних опытах Майкельсона. Майкельсона устройство показано на рис. 16.6. Позже Майкельсон переехал в Технологический институт Кейса в Кливленде, штат Огайо, где он и Эдвард Уильямс Морли из Западного резервного университета пошел дальше. эксперименты со светом, которые будут весьма важны, когда мы изучаем теорию относительности и современную физику.

Рисунок 16.C A Майкельсон, первый американский нобелевский лауреат лауреат, по праву назывался «мастером света.
Рисунок 16.D Сегодня ряд круглых латунных маркеров через квадрат Аннаполиса показать расположение светового луча в ранних экспериментах Майкельсона.
Рис. 16.6 Майкельсон использовал отражения от вращающегося зеркало и удаленное неподвижное зеркало для измерения скорости свет.

Q: Сколько времени требуется свету, чтобы путешествовать один километр?

A: Для этого мы можем вернуться к идеям, которые мы разработали о движении.Скорость чего-либо – это расстояние, которое оно преодолевает разделить на время, v = d/t. Это означает, что необходимое время расстояние, деленное на скорость, t = d/v. При d = 1 км и v = 300 000 км/с, это означает

(здесь нужен скриншот)

Q: Почему мы можем сказать, что ранние попытки Галилея измерять скорость света реально измеряли только реакцию время его помощников (и самого себя)?

A: Скорость света настолько велика, что время требуется для того, чтобы свет мог пройти любое разумное расстояние, например километр или даже несколько километров, это гораздо меньше, чем человеческая реакция время, которое составляет около десятой доли секунды или около того. Будучи намного меньше, это реальное время пролета света просто теряется при сравнении к гораздо большему и изменчивому времени реакции.

Кто первым измерил скорость света? (Средний)

Кто открыл скорость света? Когда это было обнаружено? Как он был рассчитан или получен?

Ученые пытались изучить скорость света со времен древних греков. Большинство древнегреческих астрономов, среди прочего, считали, что скорость света практически бесконечна.Однако у них не было возможности проверить это обоснованное предположение. Тем не менее, как правило, считалось само собой разумеющимся, что скорость света бесконечна до астронома Галилея в начале 1600-х годов. Галилей якобы пытался количественно определить скорость света, используя далекие фонари со ставнями, которые помощник открывал в определенное время. Галилей пытался записать, сколько времени потребовалось свету, чтобы добраться до него через поле, на котором проводился эксперимент. Его единственный вывод заключался в том, что скорость света слишком велика, чтобы ее можно было измерить в этом эксперименте. (На самом деле, с учетом того, что мы теперь знаем о скорости света, мы можем сказать, что если бы Галилей и его помощник находились на расстоянии около мили друг от друга, свету потребовалось бы всего около пяти микросекунд — пятимиллионных долей секунды — чтобы добраться от Галилея до своему помощнику. Это было слишком мало, чтобы его можно было измерить с помощью технологий того времени.)

Первое точное измерение скорости света было проведено в 1676 году человеком по имени Оле Ремер (Рёмер). Ремер наблюдал за спутником Юпитера Ио, самым внутренним из галилеевых спутников.С точки зрения наблюдателя на Земле, Ио внезапно исчезает, когда входит в тень Юпитера, и внезапно появляется снова, когда выходит из тени Юпитера (обратно в солнечный свет). Ремера интересовало предсказание времени, когда можно будет наблюдать, как Ио выходит из тени Юпитера. Его целью было использовать эти наблюдения для более точного определения периода обращения Ио; сначала он был , а не , пытаясь определить скорость света.

Ремер заметил , что время, прошедшее между затмениями Ио, становилось короче по мере того, как Земля приближалась к Юпитеру, и увеличивалось по мере того, как Земля и Юпитер удалялись друг от друга.Он понял, что расхождения между наблюдаемым и рассчитанным временем появления Ио можно объяснить конечной скоростью света. Поскольку Земля удалялась от Юпитера в ходе наблюдений Ремера, отраженному от Ио свету потребовалось бы немного больше времени, чтобы достичь Земли, и это повлияло бы на точное время, когда Ио наблюдалось, как она выходит из тени Юпитера.

Основываясь на этих наблюдениях, Ремер подсчитал, что свету потребуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр земной орбиты.Сочетание этого значения с более ранними измерениями большой полуоси Земли (радиуса орбиты) (описанными здесь и здесь) дает скорость света около 210 000 километров в секунду. Это примерно на 30% ниже современного значения скорости света, но, учитывая его древность, метод измерения и неопределенность 17-го века в точных размерах планетарных орбит, это значение удивительно близко к современному значению в 299 792,458 км. в секунду.

Вот несколько страниц с дополнительной информацией о расчетах Ремера, включая некоторые иллюстрации наблюдательной геометрии:

Последнее обновление этой страницы Шон Маршалл сделал 17 января 2016 года.

Есть простой (и вкусный) способ измерить скорость света в домашних условиях | Умные новости

Первое успешное измерение скорости света было проведено в 1676 году. Датский астроном Оле Рёмер пытался измерить орбиту Ио, третьего по величине спутника Юпитера, наблюдая, сколько времени требуется, чтобы пройти вокруг планеты. Наблюдая за Ио в течение многих лет, Рёмер сделал удивительное открытие, сообщает Американский музей естественной истории:

Интервал времени между последовательными затмениями постоянно сокращался по мере того, как Земля на своей орбите приближалась к Юпитеру, и постоянно увеличивался по мере того, как Земля удалялась от Юпитера. Эти различия накапливались. Основываясь на своих данных, Ремер подсчитал, что, когда Земля будет ближе всего к Юпитеру …, затмения Ио будут происходить примерно на одиннадцать минут раньше, чем предсказывалось на основе среднего орбитального периода за многие годы. А 6,5 месяцев спустя, когда Земля была дальше всего от Юпитера… затмения происходили примерно на одиннадцать минут позже, чем предсказывалось.

Ремер знал, что истинный период обращения Ио не может иметь ничего общего с относительным положением Земли и Юпитера.В блестящем озарении он понял, что разница во времени должна быть связана с конечной скоростью света.

До Рёмера ученые не были уверены, имеет ли свет ограниченную скорость или его спидометр навсегда застрял на «бесконечности».

Несколько сотен лет спустя методы измерения скорости света стали поразительно более точными и, в некоторых случаях, более сложными. Но на видео выше сотрудники научного центра в Бристоле демонстрируют относительно простой способ расчета скорости света, который не требует многолетнего наблюдения в окуляр телескопа. На самом деле в их подходе не используется ничего, кроме простого кухонного оборудования и шоколада.

В видео ведущие Росс Экстон и Нерис Шах используют лишь микроволновую печь и плитку шоколада, чтобы показать, как рассчитать скорость света. Из видео не совсем ясно, как измерение расплавленных кусочков плитки шоколада связано со скоростью света. Но если разбить его еще немного, просто нужно взглянуть на некоторые единицы измерения, используемые в их измерениях.

Герц — это физический аналог «циклов в секунду».«Микроволновая печь, использованная в видео, излучала световые волны с частотой 2 450 000 000 Гц, или столько же циклов в секунду. Переход от пика к пику в волне — в данном случае расстояние между первым и третьим расплавленным кусочком шоколада — составляет один цикл. Экстон и Шах измерили это расстояние как 0,12 метра, или 0,12 метра за цикл. Умножение чего-то, измеренного в «метрах в цикле», на что-то в «циклах в секунду», даст измерение в «метрах в секунду». Это скорость волны — скорость света.

Хитрость, благодаря которой подход команды из Бристоля работает, заключается в том, что в современную эпоху мы уже знаем несколько важных вещей о свете: что он имеет конечную скорость и что эта скорость в значительной степени постоянна. У нас также есть преимущество в том, что физики уже выяснили взаимосвязь между длиной волны, частотой и скоростью.

Когда Оле Рёмер посмотрел на Юпитер и впервые вычислил скорость света, он получил 214 000 000 метров в секунду. «Это измерение, учитывая его древность, метод измерения и неопределенность 17-го века в том, как далеко Юпитер находился от Земли, удивительно близко к современному значению [299 792 458] метров в секунду», — говорит Дэйв Корнрайх для Корнелла.

Используя микроволновую печь и плитку шоколада, Экстон и Шах получили 294 000 000 метров в секунду — неплохо для небольшой кулинарной науки.

Классные находки Физика

Рекомендуемые видео

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.