Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 14 СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА. ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

14.1. Экспериментальное определение скорости света

Свет, распространяющийся от какого источники, достигает наблюдателя не моментально, а через некоторое время. Скорость распространения электромагнитных волн очень велика. Вследствие этого свет проходит очень большие расстояния за очень короткие промежутки времени. Понятно, что для опытного определения скорости света нужны или расстояния астрономических масштабов, или приборы, которые бы давали возможность измерять очень малые промежутки времени. Это было причиной того, что Г. Галилею в свое время не удалось измерить скорость света. Однако сама попытка измерить скорость света свидетельствовала о том, что Г. Галилей имел правильные представления о конечности скорости распространения света.

При астрономических наблюдениях. любого явления, что происходит на удаленном от нас небесном светиле, световой сигнал об этом поступит тем позже, чем дальше находится Земля от него. Понятно, что мы будем наблюдать явление с опозданием, равна времени, за которое свет проходит путь от светила до Земли.

Если мы наблюдаем какой-либо периодический процесс, который происходит в удаленной от Земли системе, то при неизменном расстоянии между Землей и системой такое опоздание не будет влиять на наблюдаемый период процесса. Моменты времени, соответствующие началу и концу периода, определим с одинаковыми опозданиями, а разность их равна периода, остается неизменной. Другое дело, когда за время периода этого явления Земля удалится или приблизится к фиксированной системы. В первом случае конец периода будет зафиксировано с

большим опозданием, чем начало, что при соответствующем отношении приведет к воображаемому увеличение периода. Во втором случае, наоборот, конец периода будет зарегистрировано с меньшим опозданием, чем начало, что приведет к мнимого уменьшения периода. Мнимая смена периода равна в обоих случаях частному от деления разницы расстояний между Землей и системой в начале и в конце этого периода на скорость света.

Изложенные соображения позволяют понять принцип определения скорости света, предложенный 1676 г. датским астрономом O. Ремером (1644-1710), который для этим воспользовался затмением одного из спутников Юпитера (рис. 14.1). Затмение имеют период 42 ч. 27 мин. 33 с. При движении Земли по участку орбиты MBN, вследствие удаления Земли от Юпитера, должно наблюдаться увеличение периода; наоборот, при движении Земли по участке орбиты NAM наблюдаемый период будет меньше от истинного. Однако изменение отдельного периода была слишком малой, чтобы O. Ремер мог ее заметить. Эффект проявился только при сравнении результатов наблюдения за полгода, причем наблюдения начались в момент «противостояния» Земли (точка М на орбите). За полгода выявлено более 40 затмений, а промежуток времени между первым и последним затмениями оказался примерно на 22 мин. больше вычисленного теоретически. В вычислениях было использовано истинное значение периода затмения, определенное в точках орбиты, близких к «противостоянию», где расстояние между Землей и Юпитером почти не меняется со временем.

Рис. 14.1

Это расхождение правильно объяснил O. Ремер. Поскольку за 6 месяцев Земля перешла из точки М в точку N, то свету приходится проходить в конце полугодия путь, больший на длину отрезка MN, равное диаметру земной орбиты. Незаметные для отдельного периода опоздание накапливаются и образуют результирующее опоздание. Это опоздание показывает, что свет проходит расстояние, равное диаметру земной орбиты, за 22 мин. Отсюда О. Ремер нашел, что скорость распространения света равна 225 000 км/с. Он достал несколько заниженное значение скорости света, поскольку неточно нашел время опоздания. На самом деле это опоздание за полгода составляет 16,5 мин., что соответствует скорости света около 300 000 км/с.

Вследствие конечности скорости распространения света и явления, происходящие на Солнце, мы видим такими, какими они были 8,25 мин. поэтому. Свет от звезд достигает Земли за время от нескольких лет до сотен тысяч лет. Поэтому иногда можно принимать свет, випромінене звездой, которая прекратила свое существование несколько тысяч лет назад.

Для измерения скорости света в земных условиях надо точно измерять очень малые промежутки времени, в течение которых свет проходит сравнительно небольшие расстояния. Впервые такое измерение совершил в 1849 г. французский физик А. Физо. Он использовал установку, схема которой приведены на рис. 14.2. Основной элемент установки - зубчатое колесо D, которое быстро вращается вокруг своей оси. Если колесо недвижимое, то свет от точечного источника, отразившись от зеркала М, проходит сквозь промежуток между зубцами колеса D, отражается от зеркала В и направляется к наблюдателю А. Для прохождения светом расстояния 2а от колеса до зеркала и обратно требуется время t = 2а / с. Если колесо, которое имеет m зубцов, привести во вращение и подобрать число оборотов за секунду п таким, что за время t колесо вернулось на пол зубца, то свет, отраженный от зеркала В, будет задержано, и наблюдатель его не увидит. Отсюда можно найти, что t =1/(2mn). Зная m, а и измеряя на опыте величину n, можно вычислить скорость света с = 4mnа. В опытах Физо расстояние 2а = 14 км. Для скорости света он получил значение 315 000 км/с.

Рис. 14.2

В 1862 г. французский физик Ж. Фуко применил для измерения скорости света в воздухе и воде метод вращающегося зеркала, идея которого принадлежит Д. Араго. Определяя скорость света в воде, он нашел, что она меньше скорости света в воздухе. Найденный результат опровергает ньютонівську корпускулярную теорию света, согласно которой преломления света можно было объяснить противоположным предположением. Ж. Фуко нашел для скорости с света в вакууме такое значение: с = (298 000 ± 500) км/с.

Метод вращающегося зеркала существенно усовершенствовал А. Майкельсон. В своем опыте он взял для пробега светового луча расстояние между вершинами двух гор, составляла 35,4 км. Метод Майкельсона оказался исключительно точным. А. Майкельсон получил для скорости света в воздухе такое значение: с = (299 796 ± 4) км/с. Позже он измерил скорость света в разреженном воздухе и достал с = (299 774 ± 2) км/с. Серию экспериментов по точному определению скорости света А. Майкельсон осуществил в 1878-1882 и 1924-1926 гг. В результате многочисленных измерений для скорости света в вакууме ныне взято значение с = 299 792 458 м/с.

Точное сравнение скорости света в воде и в воздухе, осуществленное А. Майкельсоном, показало, что скорость в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Этот результат хорошо согласуется с экспериментальными данными о преломления света и с волновой теорией преломления. Однако измерения скорости света, выполненные А. Майкельсоном методом вращающегося зеркала, дали отношение скорости света в вакууме с к скорости света в сероуглероде υ значение = 1,75, тогда как это именно отношение, определенное по показателю преломления, равен 1,64. Этот факт очень важный. Объяснил обнаруженное противоречие английский физик Дж. Рэлей (1842-1919). Он доказал, что при измерениях скорости света методом Фуко и другими методами определяется так называемая групповая скорость световых волн, тогда как по показателю преломления определяется их фазовая скорость.