Главная >> В мире больших скоростей >> В лаборатории естествоиспытателя

1. Скорость света

В книге Галилея «Беседы о двух новых науках», вышедшей в 1632 г., читаем следующее.

«Сагредо. Но какого рода и степени быстроты должно быть это движение света? Должны ли мы его считать мгновенным же или совершающимся во времени, как другие движения? Нельзя ли опытом убедиться, каково оно? Симпличио. Повседневный опыт показывает, что распространение света совершается мгновенно. Если вы наблюдаете с большого расстояния действие артиллерии, то свет от пламени выстрелов без всякой потери времени запечатлевается в нашем глазу в противоположность звуку, который доходит до уха через значительный промежуток времени.
 
Сагредо. Ну, синьор Симпличио, из этого общеизвестного опыта я не могу вывести никакого другого заключения, кроме того, что звук доходит до нашего слуха через большие промежутки времени, нежели свет; но это нисколько не убеждает меня в том, что распространение света происходит мгновенно и не требует известного, хотя и малого времени...
 
Сальвиатти. Малая доказательность этих и других подобных наблюдений однажды заставила меня изобрести метод, с помощью которого можно было бы точно удостовериться в том, является ли освещение, т. е. распространение света, действительно  мгновенным...»
 
Дальше Сальвиатти объясняет сущность своего эксперимента.
 
Два человека становятся темной ночью в разных концах открытого поля. Оба держат в руках по фонарю с затвором. Начинается опыт. Один из участников опыта открывает свой фонарь. Как только другой увидит свет, он мгновенно открывает свой фонарь, свет которого идет к первому наблюдателю. Последнему остается только измерить время, протекшее с момента открытия им затвора до того, как луч света фонаря его партнера достиг его. Это будет время, которое необходимо световому лучу для того, чтобы проделать путь между двумя наблюдателями туда и обратно.
 
В принципе постановка опыта Галилея верна, но средства для его осуществления были очень несовершенны. Описанным способом можно измерить только скорость реакции наблюдателей, но отнюдь не скорость света, которая слишком велика и не может быть измерена таким примитивным путем.
 
Удивительно, что Галилей не пришел к мысли заменить одного из наблюдателей зеркалом. Тогда достаточно было бы только открыть фонарь и измерить время, в течение которого световой луч дойдет до зеркала и вернется обратно (т. е. время между открытием фонаря и восприятием отраженного света наблюдателем). Таким методом пользовался в 1849 г. французский физик Физо, причем световой источник открывался и закрывался посредством равномерно вращающегося зубчатого колеса. Так Физо удалось впервые в земных условиях измерить скорость света. Однако уже задолго до этого скорость света была определена на основе астрономических наблюдений.
 
 Первым человеком, измерившим скорость света, стал неожиданно для самого себя датский астроном Олаф Рёмер. Это было в 1675 г. Рёмер составлял таблицу затмений лун Юпитера для будущего года. В этой таблице были приведены точные моменты времени, в которые тот или иной из четырех известных тогда спутников Юпитера должен был войти в тень от планеы. Вначале все шло хорошо. Спутники исчезали в тени Юпитера точно в те моменты, которые предсказывал Рёмер. Затем, однако, стали появляться неприятности. Затмения стали наблюдаться все позже и позже по сравнению с вычисленными. За полгода время запаздывания затмения достигло 1000 сек. После этого запаздывание стало опять уменьшаться.
 
Эта неудача не давала Рёмеру покоя. Почему таблицы оказались неверными? Вдруг у него мелькнула мысль: «виноват свет, а не вычисления». В тот момент, к которому относилось начало вычислений, Земля и Юпитер были по одну сторону от Солнца. Так как Юпитер делает полный оборот вокруг Солнца за 12 лет, а Земля — за один год, то через полгода расстояние между Землей и Юпитером увеличилось на диаметр земной орбиты, т. е. на 300 млн. км (рис. 17). Запаздывание затмений на 1 000 сек связано с тем, что свет должен пройти эти дополнительные 300 млн. км. Следовательно, скорость света должна составлять 300 тыс. км/сек. Репутация астрономических вычислений была спасена!

Рис. 17. Определение скорости света Рёмером.
М и J — положения Земли и Юпитера в некоторый момент времени; М` и J` — их положения спустя полгода

Рёмер полностью не осознал, какое великое открытие он сделал. Ведь скорость света в пустоте — это величина, на которой основывается вся теория относительности. Численное значение скорости света позднее неоднократно уточнялось повторными измерениями. В настоящее время скорость света считают равной 299 793 км/сек (ошибка эксперимента ± 0,3 км/сек), но почти во всех вычислениях можно для простоты принять ее равной 300 тыс. км/сек. Ошибка при это составит менее 0,1%. Скорость света в вакууме — чрезвычайно важная в физике величина; ее обозначают через с.
 
Зная величину скорости света, легко понять, насколько несовершенны были те средства, которые Галилей советовал использовать для ее измерения. Свет за 1 сек проходит расстояние, в 7,5 раз превышающее длину земного экватора. Для прохождения пути в несколько километров в опыте Галилея световому лучу потребуется так мало времени, что последнее невозможно измерить обычными часами. Скорость света в пустоте равна с. Все ли этим сказано? Нет. Внимательный читатель спросит сразу же: «А в какой системе отсчета скорость света равна с? Выше мы ведь видели, что о численном значении скорости можно говорить только тогда, когда фиксирована система отсчета, в которой измеряется скорость». Как на этот вопрос отвечают физики, мы увидим ниже.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: