Об измерении скорости света

о скорости света

Итак, как быстро движется свет? Очевидно, что довольно быстро. Может быть, бесконечно быстро? Или просто очень-очень быстро?

Даже в Древней Греции были разногласия по этому поводу. Философ Эмпедокл был сторонником «очень быстро». Аристотель же был больше за «бесконечность». Однако, кроме философских аргументов, никто из этих ребят не мог больше ничего предложить. Нужны были реальные измерения. Но с этим были проблемы. Нужные приборы в те времена промышленность почти не производила😀. И вопрос казался нерешаемым.

Шли годы. Да что там годы. Тысячелетия! Вопрос о том, с какой скоростью распространяется ли свет, оставался актуальным ещё в начале XVII века.

Великий Иоганн Кеплер принадлежал к сторонникам «бесконечной» концепции. А не менее великий Галилео Галилей считал, что свет имеет конечную скорость. И задался целью её измерить.

Холмы, фонари и помощник

Для этого он взял два фонаря, помощника и отправился в сельскую местность. Прибыв к месту назначения Галилей забрался на вершину холма. А своему помощнику приказал забраться на вершину другого холма, находящегося в паре километров от первого. Измерительный акт состоял в следующем: Галилей открыл крышку своего фонаря, и свет увидел человек на соседнем холме. И как только он увидел свет, он должен был открыть крышку своего фонаря. Этот свет, в свою очередь, должен был увидеть Галилей. Который засекал время, через которое он получит обратный сигнал. Какой хитрый план, не правда ли?

К сожалению, в те времена люди ещё не очень хорошо умели измерять столько короткие отрезки времени. Часы, какими мы их знаем сегодня, ещё не были изобретены. И Галилей, вероятно, использовал простые водяные часы (примерно похожие на песочные, только с водой).

К сожалению, учёный не получил при проведении своего эксперимента никаких полезных данных. Как бы далеко не находился его помощник, измеряемая скорость всегда была одинаковой. И по сути соответствовала времени открытия створок на фонарях.

Вывод Галилея был таков: «Свет либо бесконечно быстр, либо очень, очень быстр». По сути он не сказал ничего нового. Но он хотя бы попробовал что-то сделать!

Четыре спутника

Прогресс в этом деле пришёл только через несколько десятилетий. И Галилей (по крайней мере, косвенно) участвовал в этом. Поскольку несмотря на то, что его методика измерения скорости света не сработала, он весьма преуспел в других областях науки.

С помощью телескопа, который учёный построил и впервые использовал в 1609 году, он обнаружил четыре маленьких спутника, вращающиеся вокруг планеты Юпитер.

Астрономы были полны энтузиазма, наблюдая за новыми небесными телами. Они рассчитывали их орбиты и публиковали длинные таблицы данных, чтобы облегчить задачу будущим наблюдателям.

Одним из этих астрономов был датчанин Оле Рёмер. В 1668 году он решил понаблюдать за спутниками Юпитера. Ему было интересно смотреть, как двигаясь по диску планеты, они время от времени исчезают за Юпитером. Однако вдруг выяснилась, что затмения никогда не случались в рассчитанные астрономами моменты!

Рёмер продолжал наблюдать. И снова и снова расчётный и наблюдаемый момент времени не совпадали. И тогда учёного осенило! Ведь Земля движется вокруг Солнца! И иногда находится немного ближе к Юпитеру, а иногда немного дальше. И всякий раз, когда Земля приближалась к Юпитеру, затмения происходили раньше, чем планировалось. Если же Земля была дальше, то они происходили позже.

Значение скорости света

Рёмер правильно понял, что за этот эффект несёт ответственность свет. Потому что сначала он должен переместиться с Юпитера на Землю, прежде чем астроном сможет что-то увидеть в телескоп. И если свет движется с конечной скоростью, то этот процесс занимает больше или меньше времени в зависимости от того, где в данный момент находится Земля.

Наконец, в 1676 году, Рёмер собрал достаточно наблюдений, чтобы рассчитать скорость света. Согласно расчётам учёного, её значение составило 213 000 километров в секунду! Да, это довольно быстро… Но не бесконечно быстро. И это было большим шагом вперёд в ответе на мучивший учёных тысячелетиями вопрос. Теперь оставалось лишь уточнить полученное число.

К сожалению, астрономические измерения в те времена были весьма неточными. И для сбора достаточного количества данных потребовалось бы слишком много времени. Поэтому учёные решили измерить скорость света и в лаборатории!

Арман Физо и зубчатая шестерня

Одним из первых на этом поприще добился успеха француз Арман Физо. Его экспериментальная установка была гениальна. Выглядела она так: источник излучает свет. Этот свет направляется точно в зазор между двумя зубцами шестерни. После этого свет попадает на зеркало, отражается обратно и снова попадает на шестерню. Но она за это время совершает поворот. И поэтому свет, вполне может быть, больше не встретит промежутка, и будет заблокирован. Если знать, сколько зубьев и зазоров имеет шестерня, знать расстояние между зеркалом и шестерней, довольно просто можно определить, как быстро последняя должна вращаться, чтобы снова пропустить возвращающийся луч. Это число и позволит определить, с какой скоростью движется свет.

У Физо получилось значение 315 000 километров в секунду!

В последующие годы другие учёные разрабатывали и другие усовершенствованные способы подобных измерений. И вычисляли скорость света всё более точнее.

Пришел Эйнштейн

А в 1883 году они установили её точно.

В научном мире появился Альберт Эйнштейн. И решил ещё одну большую задачу о скорости света.

В чём же она заключалась?

Итак, наука установила, что скорость света конечна. Но всегда ли это одна и та же скорость? Конечно нет. Когда свет проходит через разные материалы, он замедляется в разной степени. Свет в воздухе распространяется медленнее, чем свет в вакууме. Свет в воде движется медленнее, чем свет в воздухе. И т.д. Но если ничто не стоит на пути света, т. е. в вакууме, то всегда ли его скорость одинакова. Или нет?

Представьте, что выиграли в «Спортлото» космический корабль, который летает со скоростью, равной половине скорости света. И Вы полетели на нём к бабушке в систему Альфа Центавра. Была ночь, и впереди по курсу было темно. И Вы включили фары. С какой скоростью будет двигаться их свет? Со скоростью света плюс скорость космического корабля? Звучит логично. Но если вы все хорошо обдумаете, то быстро столкнётесь с проблемами.

Максвелл и его уравнения

Многие научные знания того времени становились парадоксальными, если допускалась переменная скорость света в вакууме. Поскольку не удавалось измерить изменения скорости света. Хотя попытки сделать это предпринимались. А потом появилась новая теория. Джеймс Клерк Максвелл описал поведение света в своих теперь знаменитых уравнениях. В них тоже была скорость. Но уравнения ничего не говорили о том, к чему должна относиться эта скорость. Согласно уравнениям Максвелла, свет всегда двигался с одной и той же скоростью.

И уже после этого у Эйнштейна возникла гениальная идея: если скорость света величина постоянная независимо ни от чего, это ведёт к весьма радикальным выводам. Скорость всегда есть преодолённое расстояние в единицу времени. И если скорость не может измениться, то это должны сделать расстояние и время.

Именно такие рассуждения привели к появлению теории относительности Эйнштейна. В которой пространство и время больше не были абсолютными величинами. Они изменялись в зависимости от того, как быстро двигается то или иное тело. Это была революция в науке. И благодаря Эйнштейну мы теперь понимаем Вселенную намного лучше, чем раньше. И смогли вычислить скорость света гораздо точнее.

Оказалось, что её значение составляет ровно 299 792,458 километра в секунду!

И хорошо, что мы это знаем. Потому что свет вполне можно считать бесконечно быстрым в бытовой повседневной жизни людей. Однако его скорость определённо играет роль в современных технологиях. Люди, дистанционно пилотирующие марсоходы на Марсе, давно бы оказались в марсианской канаве, если бы не учитывали, что их сигналы не приходят мгновенно, а должны сначала преодолеть довольно приличное расстояние.

Эта статья впервые появилась на сайте Живой Космос. Подписывайтесь на наши каналы! телеграм                     пульс                    канал Дзен
Понравилась статья? Поделитесь ей в социальных сетях! Огромное спасибо!
Живой Космос