У книжці Галілея «Бесіди про дві нові науки», що вийшла 1632 р., читаємо таке.
«Сагредо. Але якого роду і ступеня швидкості має бути цей рух світла? Чи повинні ми вважати його миттєвим, чи таким, що здійснюється в часі, як інші рухи? Чи не можна дослідом переконатися, яким він є? Сімпліціо. Повсякденний досвід показує, що поширення світла відбувається миттєво. Якщо ви спостерігаєте з великої відстані дію артилерії, то світло від полум'я пострілів без жодної втрати часу закарбовується в нашому оці, на відміну від звуку, який доходить до вуха через значний проміжок часу.
Сагредо. Ну, синьйоре Сімпліціо, з цього загальновідомого досвіду я не можу вивести жодного іншого висновку, крім того, що звук доходить до нашого слуху через більші проміжки часу, ніж світло; але це аж ніяк не переконує мене в тому, що поширення світла відбувається миттєво і не потребує певного, хоч і малого часу...
Сальвіаті. Мала доказовість цих та інших подібних спостережень одного разу змусила мене винайти метод, за допомогою якого можна було б достеменно пересвідчитися, чи є освітлення, тобто поширення світла, справді миттєвим...»
Далі Сальвіаті пояснює суть свого експерименту.
Двоє людей стають темної ночі на різних кінцях відкритого поля. Обидва тримають у руках по ліхтарю із заслінкою. Починається дослід. Один з учасників досліду відкриває свій ліхтар. Щойно другий побачить світло, він миттєво відкриває свій ліхтар, світло якого йде до першого спостерігача. Останньому лишається тільки виміряти час, що минув з моменту відкриття ним заслінки до того, як промінь світла ліхтаря його партнера досяг його. Це буде час, потрібний світловому променю для того, щоб подолати шлях між двома спостерігачами туди й назад.
Принципово постановка досліду Галілея слушна, але засоби для його здійснення були дуже недосконалі. Описаним способом можна виміряти лише швидкість реакції спостерігачів, але аж ніяк не швидкість світла, яка надто велика і не може бути виміряна таким примітивним шляхом.
Дивно, що Галілей не дійшов думки замінити одного зі спостерігачів дзеркалом. Тоді вистачило б лише відкрити ліхтар і виміряти час, протягом якого світловий промінь дійде до дзеркала й повернеться назад (тобто час між відкриттям ліхтаря і сприйняттям відбитого світла спостерігачем). Таким методом користувався 1849 р. французький фізик Фізо, причому джерело світла відкривалося й закривалося за допомогою зубчастого колеса, що рівномірно обертається. Так Фізо вдалося вперше в земних умовах виміряти швидкість світла. Проте ще задовго до цього швидкість світла було визначено на основі астрономічних спостережень.
Першою людиною, що виміряла швидкість світла, стала несподівано для самого себе данський астроном Олаф Рьомер. Це було 1675 р. Рьомер складав таблицю затемнень супутників Юпітера на наступний рік. У цій таблиці було наведено точні моменти часу, коли той чи інший із чотирьох відомих тоді супутників Юпітера мав увійти в тінь від планети. Спочатку все йшло добре. Супутники зникали в тіні Юпітера точно в ті моменти, які передбачав Рьомер. Потім, однак, почали з'являтися неприємності. Затемнення почали спостерігатися дедалі пізніше порівняно з обчисленими. За півроку час запізнення затемнення досяг 1000 с. Після цього запізнення знову почало зменшуватися.
Ця невдача не давала Рьомерові спокою. Чому таблиці виявилися хибними? Раптом у нього майнула думка: «винне світло, а не обчислення». У той момент, до якого належав початок обчислень, Земля і Юпітер були по один бік від Сонця. Оскільки Юпітер робить повний оберт навколо Сонця за 12 років, а Земля — за один рік, то за півроку відстань між Землею та Юпітером збільшилася на діаметр земної орбіти, тобто на 300 млн. км (рис. 17). Запізнення затемнень на 1 000 с пов'язане з тим, що світло має пройти ці додаткові 300 млн. км. Отже, швидкість світла має становити 300 тис. км/с. Репутацію астрономічних обчислень було врятовано!
Рис. 17. Визначення швидкості світла Рьомером.
M і J — положення Землі та Юпітера в деякий момент часу; M′ і J′ — їхні положення через півроку
Рьомер не повністю усвідомив, яке велике відкриття він зробив. Адже швидкість світла в порожнечі — це величина, на якій ґрунтується вся теорія відносності. Числове значення швидкості світла згодом неодноразово уточнювали повторними вимірюваннями. Нині швидкість світла вважають рівною 299 793 км/с (похибка експерименту ± 0,3 км/с), але майже в усіх обчисленнях для простоти можна взяти її рівною 300 тис. км/с. Похибка при цьому становитиме менш як 0,1%. Швидкість світла у вакуумі — надзвичайно важлива у фізиці величина; її позначають через с.
Знаючи величину швидкості світла, легко зрозуміти, наскільки недосконалими були ті засоби, які Галілей радив використати для її вимірювання. Світло за 1 с проходить відстань, у 7,5 раза більшу за довжину земного екватора. Для проходження шляху в кілька кілометрів у досліді Галілея світловому променю знадобиться так мало часу, що його неможливо виміряти звичайним годинником. Швидкість світла в порожнечі дорівнює с. Чи все цим сказано? Ні. Уважний читач одразу ж запитає: «А в якій системі відліку швидкість світла дорівнює с? Вище ми ж бачили, що про числове значення швидкості можна говорити лише тоді, коли зафіксовано систему відліку, у якій вимірюється швидкість». Як на це питання відповідають фізики, ми побачимо нижче.
«Сагредо. Але якого роду і ступеня швидкості має бути цей рух світла? Чи повинні ми вважати його миттєвим, чи таким, що здійснюється в часі, як інші рухи? Чи не можна дослідом переконатися, яким він є? Сімпліціо. Повсякденний досвід показує, що поширення світла відбувається миттєво. Якщо ви спостерігаєте з великої відстані дію артилерії, то світло від полум'я пострілів без жодної втрати часу закарбовується в нашому оці, на відміну від звуку, який доходить до вуха через значний проміжок часу.
Сагредо. Ну, синьйоре Сімпліціо, з цього загальновідомого досвіду я не можу вивести жодного іншого висновку, крім того, що звук доходить до нашого слуху через більші проміжки часу, ніж світло; але це аж ніяк не переконує мене в тому, що поширення світла відбувається миттєво і не потребує певного, хоч і малого часу...
Сальвіаті. Мала доказовість цих та інших подібних спостережень одного разу змусила мене винайти метод, за допомогою якого можна було б достеменно пересвідчитися, чи є освітлення, тобто поширення світла, справді миттєвим...»
Далі Сальвіаті пояснює суть свого експерименту.
Двоє людей стають темної ночі на різних кінцях відкритого поля. Обидва тримають у руках по ліхтарю із заслінкою. Починається дослід. Один з учасників досліду відкриває свій ліхтар. Щойно другий побачить світло, він миттєво відкриває свій ліхтар, світло якого йде до першого спостерігача. Останньому лишається тільки виміряти час, що минув з моменту відкриття ним заслінки до того, як промінь світла ліхтаря його партнера досяг його. Це буде час, потрібний світловому променю для того, щоб подолати шлях між двома спостерігачами туди й назад.
Принципово постановка досліду Галілея слушна, але засоби для його здійснення були дуже недосконалі. Описаним способом можна виміряти лише швидкість реакції спостерігачів, але аж ніяк не швидкість світла, яка надто велика і не може бути виміряна таким примітивним шляхом.
Дивно, що Галілей не дійшов думки замінити одного зі спостерігачів дзеркалом. Тоді вистачило б лише відкрити ліхтар і виміряти час, протягом якого світловий промінь дійде до дзеркала й повернеться назад (тобто час між відкриттям ліхтаря і сприйняттям відбитого світла спостерігачем). Таким методом користувався 1849 р. французький фізик Фізо, причому джерело світла відкривалося й закривалося за допомогою зубчастого колеса, що рівномірно обертається. Так Фізо вдалося вперше в земних умовах виміряти швидкість світла. Проте ще задовго до цього швидкість світла було визначено на основі астрономічних спостережень.
Першою людиною, що виміряла швидкість світла, стала несподівано для самого себе данський астроном Олаф Рьомер. Це було 1675 р. Рьомер складав таблицю затемнень супутників Юпітера на наступний рік. У цій таблиці було наведено точні моменти часу, коли той чи інший із чотирьох відомих тоді супутників Юпітера мав увійти в тінь від планети. Спочатку все йшло добре. Супутники зникали в тіні Юпітера точно в ті моменти, які передбачав Рьомер. Потім, однак, почали з'являтися неприємності. Затемнення почали спостерігатися дедалі пізніше порівняно з обчисленими. За півроку час запізнення затемнення досяг 1000 с. Після цього запізнення знову почало зменшуватися.
Ця невдача не давала Рьомерові спокою. Чому таблиці виявилися хибними? Раптом у нього майнула думка: «винне світло, а не обчислення». У той момент, до якого належав початок обчислень, Земля і Юпітер були по один бік від Сонця. Оскільки Юпітер робить повний оберт навколо Сонця за 12 років, а Земля — за один рік, то за півроку відстань між Землею та Юпітером збільшилася на діаметр земної орбіти, тобто на 300 млн. км (рис. 17). Запізнення затемнень на 1 000 с пов'язане з тим, що світло має пройти ці додаткові 300 млн. км. Отже, швидкість світла має становити 300 тис. км/с. Репутацію астрономічних обчислень було врятовано!
Рис. 17. Визначення швидкості світла Рьомером.M і J — положення Землі та Юпітера в деякий момент часу; M′ і J′ — їхні положення через півроку
Рьомер не повністю усвідомив, яке велике відкриття він зробив. Адже швидкість світла в порожнечі — це величина, на якій ґрунтується вся теорія відносності. Числове значення швидкості світла згодом неодноразово уточнювали повторними вимірюваннями. Нині швидкість світла вважають рівною 299 793 км/с (похибка експерименту ± 0,3 км/с), але майже в усіх обчисленнях для простоти можна взяти її рівною 300 тис. км/с. Похибка при цьому становитиме менш як 0,1%. Швидкість світла у вакуумі — надзвичайно важлива у фізиці величина; її позначають через с.
Знаючи величину швидкості світла, легко зрозуміти, наскільки недосконалими були ті засоби, які Галілей радив використати для її вимірювання. Світло за 1 с проходить відстань, у 7,5 раза більшу за довжину земного екватора. Для проходження шляху в кілька кілометрів у досліді Галілея світловому променю знадобиться так мало часу, що його неможливо виміряти звичайним годинником. Швидкість світла в порожнечі дорівнює с. Чи все цим сказано? Ні. Уважний читач одразу ж запитає: «А в якій системі відліку швидкість світла дорівнює с? Вище ми ж бачили, що про числове значення швидкості можна говорити лише тоді, коли зафіксовано систему відліку, у якій вимірюється швидкість». Як на це питання відповідають фізики, ми побачимо нижче.