Скорость света кто открыл: Впервые измерена скорость света

Содержание

Кто первым измерил скорость света?

Астрономия

15.09.2019

2 186 2 минут чтения

Кто открыл скорость света? Когда это было обнаружено? Как это было рассчитано или выведено?

Ученые пытаются изучать скорость света со времен древних греков. Большинство древнегреческих астрономов считали, среди прочего, что скорость света была практически бесконечной. Однако у них не было возможности проверить это обоснованное предположение.

Тем не менее как правило, считалось само собой разумеющимся, что скорость света была бесконечной, пока астроном Галилей в начале 1600-х годов пытался измерить скорость света, используя дальние фонари с жалюзи, которые помощник открывал в указанное время.Галилей пытался записать, сколько времени требуется свету, чтобы добраться до него через поле, на котором проводился эксперимент.

Его единственным выводом было то, что скорость света была слишком быстрой, чтобы ее можно было измерить с помощью этого эксперимента.

(На самом деле, исходя из того, что мы теперь знаем о скорости света, мы можем сказать, что если бы Галилей и его помощник стояли на расстоянии примерно в одну милю, свету понадобилось бы всего пять микросекунд – пять миллионных долей секунды – чтобы добраться от Галилея его помощнику. Это было слишком мало, чтобы быть измеренным с технологией того времени.)

Первое истинное измерение скорости света было сделано в 1676 году человеком по имени Оле Ремер (Rømer). Ремер наблюдал спутник Юпитера Ио, самый внутренний из Галилейских спутников. Как заметил наблюдатель на Земле, Ио внезапно исчезает, когда движется в тень Юпитера, и внезапно появляется, когда выходит из тени Юпитера (обратно в солнечный свет).

Ремер был заинтересован в том, чтобы предсказать, когда Ио появится из тени Юпитера. Его целью было использовать эти наблюдения для более точного определения орбитального периода Ио; он изначально не пытался определить скорость света.

Ремер заметил, что время между затмениями Ио стало короче, когда Земля приблизилась к Юпитеру, и стало длиннее, когда Земля и Юпитер разошлись. Он понял, что расхождения между наблюдаемым и рассчитанным временем появления Ио могут быть объяснены конечной скоростью света. Поскольку в ходе наблюдений Ремера Земля удалялась от Юпитера, отраженному свету от Ио потребовалось бы немного больше времени, чтобы достичь Земли, и это повлияло бы на точное время, в которое наблюдалось появление Ио из тени Юпитера.

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

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Back to top button

Скорость света — первая фундаментальная константа.

Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Скорость света — первая фундаментальная константа

Среди неудач Галилея одна столь поучительна, что язык не поворачивается назвать ее неудачей.

В своей последней книге Галилей рассказал о попытке измерить скорость света, и, судя по всему, поводом стало измерение другой скорости — скорости звука. Это, конечно, «две большие разницы». Услышав эхо своего голоса, легко понять, что звук вернулся через малое, но заметное время, и, значит, он распространяется не мгновенно, а с какой-то — пусть и большой — скоростью. Однако в обыденном опыте нет никаких признаков того, что и свету требуется какое-то время на путешествие от источника света до освещенного предмета. Аристотель подытожил это философски: «Свет — это присутствие чего-то, а не движение чего-либо». Так же думали и все коллеги-современники Галилея. Он первым употребил само выражение «скорость света».

Мгновенность — или бесконечная скорость — света предполагалась и в первых измерениях скорости звука. Наблюдая издалека выстрел пушки и полагая, что вспышку выстрела видят немедленно, измеряли время между вспышкой и звуком выстрела. Разделив расстояние до пушки на это время, определили, что скорость звука — около 500 метров в секунду (что всего в полтора раза больше истинного значения).

Галилей, однако, полагал, что мгновенность света — лишь гипотеза, и придумал, как ее проверить. Для этого нужны два человека с фонарями, которые можно открывать и закрывать — сейчас бы сказали: включать и выключать. Сначала они, находясь вблизи, тренируются включать фонарь, увидев свет другого фонаря. Затем расходятся на большое расстояние. Первый включает фонарь, увидев свет которого, включает свой фонарь второй. И первый измеряет время от момента, когда он включил свой фонарь, до момента, когда увидел свет второго фонаря. За это время свет прошел путь туда и обратно.

Если второй фонарь откроется так же быстро, как и на близком расстоянии, — пишет Галилей, — значит, свет доходит мгновенно, а если свету требуется время, то расстояния в три мили хватило бы, чтобы обнаружить задержку. Если же опыт делать на расстоянии, скажем, 8—10 миль, то увидеть слабый свет от далекого фонаря можно, используя телескоп.

Судя по словам Галилея, он проделал такой опыт лишь на расстоянии одной мили и задержку не заметил. И все же высказал догадку, что свет распространяется не мгновенно, хоть и необычайно быстро.

Отец современной физики не объяснил, почему трех миль хватило бы, чтобы обнаружить

не-мгновенность света, и зачем тогда увеличивать расстояние до 10 миль. Если минимальным промежутком времени счесть один удар пульса, то проделанный им опыт означал, что свет прошел две мили за время, меньшее секунды, то есть со скоростью как минимум в 10 раз большей скорости звука. А если бы задержки не обнаружилось и на расстоянии 10 миль, это означало бы, что скорость света как минимум в 100 раз больше скорости звука.

Галилей не виноват, что на самом деле скорость света больше скорости звука в миллион раз. Если бы он это заподозрил, то мог сообразить, что земных миль для его опыта не хватит, и вспомнил бы открытые им спутники Юпитера.

Ведь, вращаясь, спутник играет роль фонаря, который открывается, выходя из тени Юпитера, и закрывается, заходя в его тень. Конечно, впрямую для опыта Галилея такой фонарь не годится — открывается безо всякой команды через равные интервалы времени. Но опыт можно изменить, заметив, что земной наблюдатель не сидит на месте, даже вглядываясь в телескоп: вместе с телескопом и с планетой Земля он движется вокруг Солнца. Когда наблюдатель приближается к Юпитеру, каждый следующий «восход» спутника наблюдается раньше «положенного» (усредненного), потому что первому лучу от спутника надо пройти меньшее расстояние до Земли. Первый луч прибудет раньше на долю периода, пропорциональную скорости Земли и обратно пропорциональную скорости света. Значит, скорость света можно вычислить, измеряя опережение (или запаздывание) восхода спутника Юпитера.

До такого способа сам Галилей не додумался, хотя в его духе были и земные применения астрономии, и приложение земной физики к пониманию небесных явлений. Он же предложил использовать телескоп в земном опыте по измерению скорости света. А открыв спутники Юпитера и измерив периоды их обращения, разглядел в этом небесные часы «с боем» в момент восхода каждого спутника. Такие часы, доступные всем (у кого есть телескоп), сообразил Галилей, можно использовать для определения географической долготы. А это было жизненно важно для дальнего мореплавания и для экономики.

Так что отец современной физики не только изобрел ее, но и продемонстрировал взаимосвязь науки, техники и экономики.

В физике Галилея проявилось хитрое взаимодействие теории и эксперимента в поиске фундаментальных законов природы. Ясно, как важно проверять закон со все большей точностью. Однако нередко малая точность измерений помогала делать открытия. Например, важнейший для Галилея закон о том, что период колебаний маятника не зависит от амплитуды колебаний, выполняется тем точнее, чем меньше амплитуда. Поэтому, если бы Галилей проверял этот закон не своим пульсом, а очень точным хронометром, ему было бы труднее.

Аналогично — со спутниками Юпитера. Измерив их периоды обращения, Галилей оставил их дальнейшее изучение астрономам. Оставил он также им в наследство свою идею использовать эти спутники в качестве универсальных часов для определения долготы. Для этого требовалось знать периоды обращения спутников, или расписание их затмений, как можно точнее, чем астрономы и занялись, стремясь к свойственной им астрономической точности. Через тридцать лет после смерти Галилея астрономы накопили достаточное количество наблюдений, чтобы обнаружить странную неравномерность хода космических часов. Период обращения спутника иногда был короче, иногда длиннее. В этой неравномерности обнаружилась своя закономерность: короче период становился, когда Земля приближалась к Юпитеру, и длиннее — когда удалялась. Тогда-то астрономы, изучавшие Галилеевы спутники, вспомнили об уверенности Галилея в том, что свет распространяется с огромной, но конечной скоростью. Соединив наблюдения периодов спутников со знанием планетных движений, и получили впервые величину скорости света — 220 тысяч километров в секунду, что близко к истинной величине — около 300 тысяч километров в секунду.

Таким образом, интуиция Галилея оправдалась, как ни удивительно. А это очень удивительно. Ведь не было никаких наблюдаемых свидетельств в пользу конечной скорости света. И выдающиеся современники Галилея, которые занимались наукой о свете, Кеплер и Декарт, считали скорость света бесконечной. Почему Галилей оказался проницательней своих коллег? Потому что был гением и фундаментальным физиком.

Размышляя о скорости света, Галилей видел весь мир физических явлений и верил в глубинное единство этого мира. Зная, что солнечный свет, собранный в вогнутом зеркале, способен расплавить свинец, он сопоставил это «яростное» действие света с разрядом молнии и взрывом пороха, которые «сопровождаются движением и притом очень быстрым». И заключил: «Поэтому я не представляю себе, чтобы действие света обходилось без движения, притом наибыстрейшего».

Галилей был уверен, что Книга Природы «написана на языке математики», но знал, что содержание этой книги — физика. Поэтому, слушая свою интуицию, он не верил ей на слово, а придумывал, как проверять ее самым надежным для физика путем — измерительными экспериментами. Со светом ему это не удалось — точность измерений была слишком мала. Но ему удалось подарить физике саму идею конечной скорости света. Эта идея, благодаря другому подарку — Галилеевым спутникам Юпитера — стала достоверным фактом науки спустя лишь несколько десятилетий после его смерти, в самом начале его бессмертной славы.

Послушаем теперь фрагмент беседы из последней книги Галилея «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых наук», где впервые поставлен вопрос о скорости света:

О наибыстрейшем движении света

Сагредо. Я видел, как солнечный свет, собранный вогнутым зеркалом диаметром около трех ладоней, быстро плавил свинец и зажигал разные горючие материалы. Неужели столь яростное действие света возможно без движения?

Сальвиати. В других случаях — таких как разряд молнии и взрыв пороха — горение и распад сопровождаются движением, и притом очень быстрым. Поэтому я не представляю себе, чтобы действие света обходилось без движения, притом наибыстрейшего.

Сагредо. Но какой степени быстроты должно быть это движение? Оно мгновенно или совершается во времени, как другие движения? Нельзя ли в опыте узнать, каково оно?

Симпличио. Повседневный опыт показывает, что свет распространяется мгновенно. Если издалека наблюдать за выстрелом пушки, то вспышка выстрела достигает наших глаз сразу же, а звук доходит до ушей лишь через заметный интервал времени.

Сагредо. Из подобных опытов можно лишь заключить, что звук движется медленнее света, но не то, что свет доходит мгновенно.

Сальвиати. Неубедительность таких наблюдений побудила меня придумать способ выяснить, распространяется ли свет действительно мгновенно.

Пусть два экспериментатора держат по фонарю, которые можно открывать и закрывать. Сначала, стоя рядом, они упражняются открывать свой фонарь, заметив свет другого. Затем расходятся мили на три и, дождавшись ночи, повторяют свое перемигивание фонарями. Если второй фонарь откроется так же быстро, как и вблизи, значит, свет доходит мгновенно, а если свету требуется время, то расстояния в три мили хватило бы, чтобы обнаружить задержку. Делая опыт на расстоянии, скажем, десяти миль, можно использовать телескопы, чтобы увидеть слабый свет от далекого фонаря.

Сам я провел этот опыт лишь на расстоянии одной мили и не убедился, возвращается ли свет мгновенно. Ясно лишь, что чрезвычайно быстро, почти мгновенно. Я бы сравнил это со сверканием молнии, видном на расстоянии 8—10 миль. Мы видим начало вспышки, или ее источник, в определенном месте среди туч и видим, как молния пронзает соседние тучи. Значит, для распространения требуется некоторое время. Ведь если бы вспышка молнии возникала во всех частях сразу, мы не могли бы различить ее источник, середину и удаленные части. В каком же океане мы незаметно для себя оказались?! Пустота и бесконечности, неделимые атомы и мгновенные движения — сможем ли мы достичь берега, хотя бы и после тысячи обсуждений?

На патетический вопрос в конце фрагмента Галилей ответил своей книгой отважно и оптимистически. Но сам вопрос изобличает физика — фундаментального физика. Его выдающиеся коллеги математического склада мышления — Кеплер и Декарт — смело ставили перед собой задачу полностью и окончательно объять реальный физический мир каким-то единым математическим принципом или небольшим набором, и думали, что достигли своей цели: у Кеплера — кубок шести планет, у Декарта — семь принципов физики. А Галилей понимал, что находится лишь в начале великого пути, где работы хватит на всех, у кого хватит свободы и смелости задавать вопросы об устройстве мироздания и искать на них убедительные — измерительные — ответы.

Заряжаясь его смелостью, очень хотелось бы задать вопросы и ему самому.

Почему он думает, что скорость света не просто конечна, но и «наибыстрейшая»? Как вообще какая-то скорость может быть максимальной? Догадывается ли он, что скорость света — фундаментальная константа природы, причастная к любому физическому явлению, даже протекающему в кромешной тьме?

Наука ответила на эти вопросы три века спустя после жизни Галилея, после нескольких драматических преображений фундаментальной физики, связанных с именами Ньютона, Максвелла и Эйнштейна. Остается лишь изумляться, что изобретатель фундаментальной физики открыл путь и к первой фундаментальной константе в истории.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Скорость света

Скорость света В Галилеевых «Беседах о двух новых науках» мы находим разговор учителя и его учеников о скорости света:Сагредо: Но какого рода и какой степени быстроты должно быть это движение света? Должны ли мы считать его мгновенным или же совершающимся во времени, как

Можно ли изменить скорость света?

Можно ли изменить скорость света? Сама по себе огромная скорость распространения света не является чем-то особенно удивительным. Поразительно то, что эта скорость отличается строгим постоянством.Движение любого тела всегда можно искусственно замедлить или ускорить.

IV. Можно ли развить скорость света (и поглядеть на себя в зеркало)?

IV. Можно ли развить скорость света (и поглядеть на себя в зеркало)? Мы ушли страшно далеко от первоначального вопроса, и это никуда не годится, потому что это очень хороший вопрос — настолько хороший, что его задавал себе сам Эйнштейн. Однако вам, наверное, кажется, что мы

Модуляция света. Преобразование света

Модуляция света. Преобразование света Об активном отношении человека к природе Могущество разума человека состоит в его активном отношении к природе. Человек не только созерцает, но и преобразует природу. Если бы он только пассивно созерцал свет, как нечто найденное в

Глава 3 Гравитация — первая фундаментальная сила

Глава 3 Гравитация — первая фундаментальная сила С небес на землю и обратно В современной физике говорят о четырех фундаментальных силах. Первой открыли силу гравитации. Известный школьникам закон всемирного тяготения определяет силу притяжения F между любыми массами

Физика современная и физика фундаментальная

Физика современная и физика фундаментальная Прежде всего выясним суть новой физики, отличавшую ее от физики предыдущей. Ведь опыты и математика Галилея не выходили за пределы возможностей Архимеда, которого Галилей не зря называл «божественнейшим». В чем Галилей вышел

Электродинамика. Скорость света

Электродинамика. Скорость света Изменить представление о пространстве и времени решающим образом стало возможным только после успехов в исследовании природы электричества и магнетизма. Пропуская имена ряда замечательных ученых, совершивших открытия в этой области,

132. Что такое скорость света и почему она так важна?

132. Что такое скорость света и почему она так важна? Скорость света (с) играет роль бесконечной скорости во Вселенной. Точно так же, как недосягаема бесконечность, скорость света недостижима для материального объекта.Почему с недостижима? Энергия связана с массой. Если

Скорость звука

Скорость звука Не надо бояться грома после того, как сверкнула молния. Вы, наверное, слыхали об этом. А почему? Дело в том, что свет распространяется несравненно быстрее, чем звук, – практически мгновенно. Гром и молния происходят в один и тот же момент, но молнию мы видим в

IV. Можно ли развить скорость света (и поглядеть на себя в зеркало)?

IV. Можно ли развить скорость света (и поглядеть на себя в зеркало)? Мы ушли страшно далеко от первоначального вопроса, и это никуда не годится, потому что это очень хороший вопрос – настолько хороший, что его задавал себе сам Эйнштейн. Однако вам, наверное, кажется, что мы

Краткая история скорости света

Что такое скорость света? В век интернета ответить на этот вопрос очень просто. Но задумывались ли вы когда-нибудь, как мы достигли нашей текущей оценки в 299 792 458 м/с?

Вы можете себе представить, как бы вы его измеряли? Многие великие умы пытались решить этот вопрос на протяжении всей истории.

[Источник изображения: LucasVB через Wikimedia Commons ]

Первые попытки реальных «физических» измерений увенчались успехом с Galileo. В одном конкретном случае он и его помощник стояли на противоположных вершинах холмов на известном расстоянии друг от друга. Галилей открывал затвор своей лампы. План состоял в том, чтобы помощник открыл затвор другой лампы, как только он увидит свет от Галилея. Однако его эксперименты привели к «неубедительным» результатам, поскольку свет был слишком быстрым, чтобы его можно было измерить.

Новаторская работа Ромера и Эйнштейна, кажется, наконец положила конец этому. Однако это только самые последние лица, работавшие над этой проблемой. На самом деле исследования в этой области начались намного раньше.

Ранние идеи

Некоторые из самых ранних рассуждений, кажется, исходят от Аристотеля. Он цитирует Эмпедокла, который предположил, что свету от Солнца требуется некоторое время, чтобы добраться до Земли. Верный форме, Аристотель не согласился с этим предположением. Аристотель, казалось, предполагал, что свет распространяется мгновенно.

«свет возникает из-за присутствия чего-то, но это не движение» – Аристотель

Евклид и Птолемей основывались на идеях Эмпедокла и предположили, что свет излучается глазом, что обеспечивает зрение. Позже Герон Александрийский утверждал, что скорость света, вероятно, бесконечна, поскольку удаленные объекты, звезды и т. д. появляются сразу же, как только вы открываете глаза. Кроме того, Герон окончательно сформулировал принцип кратчайшего пути света. В нем говорится, что если свет должен пройти из точки А в точку Б, он всегда будет выбирать кратчайший возможный путь.

Перескочив вперед, в 17 век, Иоганн Кеплер пришел к выводу, что если бы скорость света была конечной, то Солнце, Земля и Луна должны были бы смещаться во время лунных затмений. Поскольку этого, казалось, не произошло, Декарт пришел к тому же выводу, что и Аристотель. Далее Декарт постулировал, что скорость света бесконечна или мгновенна и что он ускоряется даже в более плотных средах.

Как измерить «бесконечно» быстро

Одна из первых серьезных попыток измерить скорость света была предпринята голландским ученым Исааком Бекманом. В 1629 г., используя порох, он ставил зеркала на различных расстояниях от взрывов. Он спросил наблюдателей, видят ли они разницу в том, когда вспышка взрыва отражается их глазами от каждого зеркала. Как вы можете себе представить, результаты были несколько неубедительными.

Позже, в 1638 году, великий Галилей в своей работе Две новые науки, довольно точно резюмировал позицию Аристотеля. «Повседневный опыт показывает, что свет распространяется мгновенно, ибо, когда мы видим артиллерийское орудие, выпущенное на большом расстоянии, вспышка достигает наших глаз без промежутка времени, но звук достигает уха только через заметный промежуток времени», — писал он.

Галилей пришел к выводу, что на самом деле ничего о его скорости нельзя узнать, просто наблюдая за светом. Позже в этой части Галилей продолжает предлагать средства потенциального измерения скорости света.

Световой спидометр Галилея

Идея Галилея измерить скорость света была на удивление простой. Он предложил иметь двух человек на известном расстоянии друг от друга с закрытыми фонарями. План был удивительно прост. Сначала один из носителей фонаря достает свой фонарь. Тогда другой, наблюдающий за светом первого фонаря, тут же обнаруживает свой собственный. Этот процесс следует повторить несколько раз, чтобы участники хорошо попрактиковались в сокращении времени реакции до минимума.

Самые популярные

Как только они привыкнут к этому процессу, они должны будут повторять этот процесс на все больших расстояниях, пока, наконец, им не понадобятся телескопы, чтобы видеть фонари друг друга. Это должно было позволить эксперименту обнаружить, действительно ли существует ощутимый интервал времени и скорость света. Галилей утверждает, что провел этот эксперимент, но, как вы можете догадаться, безрезультатно.

Он не смог обнаружить заметного отставания во времени, как можно было бы ожидать сегодня, учитывая скорость света. Он пришел к выводу, что свет «если не мгновенный, то необычайно быстрый». Считается, что он использовал водяные часы, чтобы измерить временную задержку эксперимента. Однако ему удалось сделать вывод, что свет должен двигаться как минимум в десять раз быстрее звука.

Измерения становятся серьезными

Датский астроном Оле Ромер начал проводить первые настоящие измерения скорости света примерно через 50 лет после Галилея. Работая в своей Парижской обсерватории в 1676 году, он начал систематически изучать I0, один из спутников Юпитера. Эта луна довольно регулярно затмевается Юпитером, поскольку он вращается вокруг планеты-гиганта. Это движение предсказуемо и удобно для такого рода экспериментов. Продолжая свои наблюдения, он обнаружил, что в течение нескольких месяцев затмения, казалось, все больше и больше отставали от того, что можно было бы ожидать в противном случае. Потом снова стали собираться. Странный!

В сентябре того же года он правильно предсказал, что одно затмение 9 ноября должно быть примерно на десять минут позже. К его большой радости, а возможно, и облегчению, это действительно имело место, позволив ему злорадствовать перед своими скептически настроенными коллегами из Обсерватории.

Ромер объяснил, что это отставание, вероятно, связано с тем, что Земля и Юпитер двигались по разным орбитам, и при этом расстояние между ними менялось. Поэтому свету, отраженному от Ио, должно пройти некоторое время, чтобы достичь Земли с наибольшей «задержкой», происходящей, когда Земля и Юпитер находились на максимальном расстоянии друг от друга. «Задержки» затмения также были следствием этой разницы в расстоянии между нами и Ио/Юпитером.

Его наблюдения также позволили Ромеру сделать вывод, что свету требуется около двадцати двух минут, чтобы достичь Земли.

[Источник изображения: НАСА/Лаборатория реактивного движения/Университет Аризоны ]

Основываясь на работе Ромера

Смелая оценка Ромера была хорошим началом, но немного завышенной. Позже сэр Исаак Ньютон напишет в Principia (Книга I, раздел XIV):

«Ибо теперь из явлений спутников Юпитера, подтвержденных наблюдениями разных астрономов, ясно, что свет распространяется последовательно ( примечание : я думаю, это означает с конечной скоростью) и требуется около семи или восьми минут, чтобы добраться от солнца до земли».

Ньютон сделал поправку на расстояние между Землей и Солнцем, чтобы рассчитать, что путешествие между ними займет около семи или восьми минут. По оценкам и Ромера, и Ньютона, полученная ими цифра была очень далека.

Теперь мы знаем, что это гораздо более точная оценка, но “привет” Ромеру. Чтобы измерить «скорость» чего-либо, вам, как правило, необходимо знать расстояние между двумя точками. Возьмем, к примеру, расстояние от Солнца до Земли.

В 1670-х годах предпринимались различные попытки измерить параллакс Марса. Параллакс — это измерение того, насколько далеко сместился Марс на фоне далеких звезд. Для этого наблюдения необходимо проводить одновременно из разных мест на Земле. Это показало бы очень тонкий сдвиг, который можно использовать для измерения расстояния Марса от Земли. Имея это измерение в руках, астрономы могли затем оценить относительное расстояние Земли от Солнца.

Относительные расстояния небесных тел в нашей Солнечной системе к этому моменту уже были установлены посредством наблюдений и геометрического анализа.

Эксперименты становятся все более точными

В «Современных теориях Вселенной e» Майкла Дж. Кроу эти наблюдения пришли к выводу, что это расстояние составляет от 40 до 90 миллионов миль. Эти измерения, наконец, сошлись на значении 93 миллиона миль (149,6 миллиона километров), что более или менее правильно, как мы знаем сегодня. Это соглашение между астрономами пришло из правильного значения расстояния Ромера или использования его данных Гюйгенсом.

Христиан Гюйгенс использовал оценку Ромера и объединил ее с оценкой диаметра Земли, чтобы получить новую скорость света. В результате работы Гюйгенса скорость света составила около 201 168 (с точностью до целого числа) километров в секунду. Это примерно три четверти реальной стоимости 299793 (с точностью до целого числа) километров в секунду.

Почему ошибка? Это можно объяснить, приняв во внимание, что время, необходимое свету для пересечения орбиты Земли, составляет около двадцати двух минут, а не шестнадцать минут.

Дальнейшие улучшения были внесены в оценку скорости света в 1728 году английским астрономом Джеймсом Брэдли. Во время плавания по Темзе он заметил, что маленький вымпел на мачте корабля меняет положение каждый раз, когда лодка «разворачивается». Он сравнил это событие с Землей на орбите, где свет звезд подобен ветру, играющему парусами и вымпелом лодки. Брэдли далее рассуждал, что звездный «ветер» можно рассматривать как нас, дующих позади или в приближающуюся «Земную лодку».

Дождь никогда не идет, он льет!

Другой аналогией может служить звездный свет, похожий на ливень в безветренный день. С Землей, являющейся человеком, идущим по кругу в космическом темпе через нее. Входящее направление дождя будет не вертикальным, а скорее под углом. Предположим, что дождь идет со скоростью около 10 км/ч, а вы идете со скоростью около 5 км/ч, вертикальная и горизонтальная скорость дождя будут соответствовать этим цифрам. Джеймс Брэдли считал, что свет можно представить себе, действуя подобным образом.

Он рассудил, что, учитывая скорость Земли около 18 миль в секунду, он знал, что работа Ромера оценила свет примерно в 10 000 раз больше. Исходя из этого, Брэдли пришел к выводу, что угловое изменение падающего света примерно равно величине малого угла прямоугольного треугольника. Треугольник будет иметь одну сторону, которая в 10 000 раз длиннее другой и составляет около двухсотых градуса.

Появление телескопа и усовершенствование техники того времени позволило точно измерить этот небольшой угол. Из своего мысленного эксперимента и наблюдений Брэдли пришел к выводу, что скорость света составляет около 297729 километров в секунду. Это всего около 1% от оценки!! Довольно невероятно.

Что со всеми косвенными измерениями?

Итак, давайте подведем итоги. Мы перешли от рассуждений о том, распространяется ли свет мгновенно, к некоторым реальным цифрам. Неплохо. К сожалению, большинство из них не являются фактическими прямыми измерениями. Скорее, это косвенные утверждения. Конечно, с очень хорошей точностью, но все же не хватает «прямого» наблюдения.

Плоскодонка Галилея с фонарями сработала бы хорошо, учитывая, что у нас было бы действительно известное расстояние для работы. До сих пор скорость выводилась из косвенных выводов, основанных на незначительных изменениях положения небесных тел. Как мы знаем сегодня, относительно небольшие расстояния, подобные тем, которые нужны Галилею, слишком малы, чтобы можно было провести значимые измерения.

Частично этот вопрос был решен двумя заклятыми французскими соперниками в 1850 году. Физо и Фуко использовали немного разные методы, чтобы прийти к похожему заключению. Физо использовал прибор, который пропускал луч света между зубьями быстро вращающегося зубчатого колеса. Это означало, что источник света постоянно закрывался и открывался. Он также использовал зеркало, чтобы отразить свет назад, когда он прошел через зубчатое колесо во второй раз.

Это нововведение явно устранило необходимость в двух фонарях, как в эксперименте Галилея, а также обеспечило более предсказуемый рисунок, а не полагающийся на реакцию человека.

Идея заключалась в том, что отраженный свет может в определенное время отражаться от зубчатого колеса. Например, то же самое, если оно достаточно «медленное», или дополнительное отверстие для зуба, если оно достаточно быстрое или, конечно, заблокировано промежуточными «клиньями». Прелесть конструкции заключалась в том, что можно было легко сделать колеса с сотнями зубьев и вращать их очень быстро, что позволяло измерять доли секунды. Этот метод действительно работал очень хорошо.

Фуко наносит ответный удар

Метод его соперника Фуко был основан на аналогичном принципе, за исключением того, что он включал вращающееся зеркало, а не зубчатое колесо. В какой-то момент вращения отраженный луч света попадал бы на другое удаленное зеркало, которое снова отражалось бы во вращающееся зеркало. Вращающееся зеркало явно повернулось на небольшое расстояние за время, необходимое для повторного отражения света обратно к нему.

Этот метод позволил измерить новое положение светового луча и, следовательно, определить скорость. Он смог вычислить, как далеко повернулось зеркало за то время, которое потребовалось свету, чтобы совершить кругосветное путешествие.

Оба этих гениальных метода обеспечили скорость 298 000 километров в секунду. Это всего лишь 0,6 % от современной оценки.

Альберт Михельсон выходит на сцену

Г-н Михельсон родился в Стшельно, Польша. Его родители эмигрировали в США, когда Альберту было 4 года, чтобы избежать эскалации антисемитизма в регионе. Позже Альберт провел некоторое время в ВМС США, прежде чем стать инструктором по физике и химии в 1875 году.0003

Время, проведенное им в море, и его размышления о том, что в закрытой комнате, движущейся с постоянной скоростью, все выглядит так же, как и в состоянии покоя, напоминали ранние открытия Галилея.

Начав читать лекции, Майкельсон решил опробовать метод Фуко. Однако вскоре он понял, когда настраивал прибор, что, возможно, мог бы изменить его конструкцию, чтобы обеспечить большую точность. Он решил повысить ставку и увеличить расстояние между зеркалами и линзами.

Вместо 18 метров Фуко решил увеличить дистанцию ​​до 610 метров. Ему также удалось собрать средства для использования очень качественных зеркал для фокусировки световых лучей. Его выводы были настолько хороши, что он записал скорость света как 298 299,96 километров в секунду всего 48,28 километров в секунду от сегодняшнего значения.

Точность его эксперимента была настолько высока, что он стал стандартом и наиболее точным измерением на следующие 40 лет.

Станки 20-го века

Известно, что к концу 19-го века свет и электромагнетизм переплелись. Это позволит провести дальнейшую доработку в течение следующих нескольких десятилетий. Физики неустанно работали, измеряя электромагнитные и электростатические заряды, чтобы получить численное значение, очень близкое к измеренному Физо.

Опираясь на это, немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер предположил, что свет на самом деле является электромагнитной волной. Слева на сцену выходит Альберт Эйнштейн со своей новаторской работой 1905 года. « К электродинамике движущихся тел » показал миру, что скорость света в вакууме одинакова во всех «инерциальных» системах отсчета. Мало того, это было совершенно независимо от движения источника или наблюдателя.

Расчеты Эйнштейна позволили ему развить свою специальную теорию относительности, предоставив научному миру значение с, которое теперь является фундаментальной константой. До Эйнштейна ученые были глубоко укоренены в поисках чего-то, что называется «светоносным эфиром». Такая, казалось бы, странная концепция использовалась для описания того, как на самом деле распространяется свет. Когда-то считалось, что эфир служит для «движения» света по всей Вселенной.

Универсальный предел скорости

Работа Эйнштейна выдвинула принцип, согласно которому скорость света в вакууме постоянна, и чем ближе вы приближаетесь к этой скорости, тем больше происходит странных вещей. Включая эффекты, такие как замедление времени или замедление времени, чем быстрее вы путешествуете. Скорость света кажется максимальной скоростью, на которой может двигаться тело с массой. Возможно, будущие разработки в физике опровергнут и это представление. Время покажет.

Теории относительности также удалось согласовать уравнения Максвелла для электричества и магнетизма с законами механики. Они также упростили математические расчеты, сделав излишние объяснения излишними. Современные методы, в том числе интерферометры и методы резонанса полости, были использованы, чтобы дать нам нашу современную ценность. Они еще больше уточнили нашу оценку так называемого ограничения скорости Вселенной. Наше признанное в настоящее время значение 299 792 458 м / с было получено в 1972 году Национальным бюро стандартов США в Боулдере, штат Колорадо.

Заключительное слово

Что ж, это довольно долгое путешествие. Мы прошли путь от великого Аристотеля до не кого иного, как Альберта Эйнштейна. Другие великие умы, включая Исаака Ньютона, французских и польских ученых, пытались решить этот, казалось бы, простой вопрос. Это действительно был труд любви во времени и событие универсальной команды тегов. Мы перешли от чистой мысли к паре парней с фонарями и, наконец, к переднему краю научных экспериментов, чтобы дать ответ. Да, ладно, между ними были еще некоторые усовершенствования и оригинальные методы.

Постоянно раздражающая привычка человечества задавать неудобные вопросы иногда приводит к долгому ожиданию, казалось бы, простых вопросов. Возможно, скорость света — лучший тому пример. Это прекрасное свидетельство нашим предкам, что мы не остановимся в поисках ответа на этот вопрос. Хотя у нас есть текущая оценка, вполне возможно, что в ближайшие столетия будут сделаны дальнейшие уточнения. Что бы ни готовило будущее, мы надеемся, что с этого момента вы никогда не будете воспринимать его как должное.

Для Вас

Инновация

Количество спутников на орбите увеличивается, и вскоре у нас возникнут трудности с наблюдением за небом. Уборка космического мусора была бы похожа на «собирание пуль».

Крис Янг | 11.08.2022

инновации Да будет свет: отмеченный наградами инженер использует уникальные материалы для создания светильников

Дина Тереза| 03.09.2022

наукаЭта портативная машина крепится к трактору и превращает вредные отходы урожая в продаваемые биопродукты

Саде Агард| 04.10.2022

Еще новости

наука
Метеорит возрастом 4,6 миллиарда лет, упавший на Землю, разгадывает тайну воды на нашей планете

Дина Тереза| 17. 11.2022

инновации
Инженеры разработали новый наноматериал для 3D-печати, который можно печатать со скоростью 100 мм/с

Нергис Фиртина| 17.11.2022

культура
Около гробницы Тутанхамона обнаружены более 100 мумий и пирамида царицы

9{-1/2}$. Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, это означает, что скорость света равна скорости электромагнитных волн. $\epsilon_{0}$ и $\mu_{0}$ являются свойствами вакуума и являются константами, поэтому $c$ также будет константой. Таким образом, уже из одной теории электромагнетизма Максвелла мы можем видеть, что скорость света в вакууме должна быть постоянной.

С другой стороны, инвариантность Галилея говорит нам, что законы движения имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Специальной инерциальной системы отсчета (по законам Ньютона) нет.

Другим ключевым элементом здесь является преобразование Галилея, которое использовалось для преобразования одной инерциальной системы отсчета в другую. Легко видеть, что если первые два элемента верны:

  • Теория электромагнетизма Максвелла – скорость света постоянна
  • Инвариантность Галилея – законы движения имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета

означает, что мы больше не можем применять преобразование Галилея, потому что иначе получим противоречие. Таким образом, по крайней мере один из этих трех «ключевых элементов» должен быть неправильным.

  • Теория электромагнетизма Максвелла – скорость света постоянна
  • Инвариантность Галилея – законы движения имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета
  • Преобразование Галилея

Оказалось, что последнее (преобразование Галилея) было неверным. Эйнштейн считал первые два правильными и построил специальную теорию относительности. Правильное преобразование из одной инерциальной системы отсчета в другую, в предположении справедливости теории Максвелла и инвариантности Галилея, оказывается преобразованием Лоренца .

Оставить комментарий