Скорость света

В свое время даже решение вопроса о скорости света в различных средах подтвердило точку зрения Хайгенса, став кульминацией двухвекового спора.

Первая попытка измерить скорость света была предпринята Галилеем примерно за полвека до начала противостояния между волнами и частицами.

Галилей поднимался на вершину холма, а его помощник — на вершину другого холма в полумиле от первого. Галилей планировал ночью зажечь фонарь, а его помощник должен был зажечь свой фонарь в ответ, как только заметит свет от фонаря Галилея. Промежуток времени от зажигания огня Галилеем до появления света от ответного сигнала и должен был примерно соответствовать времени, за которое свет проходит от Галилея до помощника и обратно. Таким же образом в то же время была успешно установлена скорость звука (см. ч. I).

Галилей обнаружил ощутимую разницу во времени между отправлением и получением света; однако для него было очевидно, что разница эта имела место не за счет того, что свету требовалось время на преодоление расстояния, а за счет того, что нервной системе человека требовалось время, чтобы отреагировать на ощущение, потому что в случае, когда между двоими людьми было расстояние в милю, задержка была не больше, чем когда это расстояние составляло шесть футов.

В общем, единственное, что Галилею удалось таким экспериментом доказать, — что свет движется быстрее, чем звук. На самом деле оставалась вероятность, что свет движется с бесконечной скоростью, как всерьез предполагали многие ученые.

Только в 1670 году было предоставлено определенное свидетельство того, что скорость света, хоть и очень высокая, все же конечна. Датский астроном Оле Рёмер (1644–1710) тогда производил доскональное исследование спутников Юпитера (которые открыл Галилей в 1610 году). Орбиты этих спутников были тщательно рассчитаны, и время, в которое каждый спутник должен проходить за Юпитером и для наблюдателя с Земли должен быть закрыт, теоретически могло быть очень точно рассчитано. Однако Рёмер обнаружил, что затмения происходили не по расписанию — в одних случаях на несколько минут позже, а в других — на несколько минут раньше.

^{Скорость света}

При дальнейшем исследовании он обнаружил, что всякий раз, когда Земля и Юпитер оказывались с одной стороны от Солнца, затмения происходили раньше намеченного; когда же обе планеты были по разные стороны от Солнца, затмения запаздывали.

Представьте себе луч света, идущий от спутника Юпитера к Земле, то есть луч, посредством которого мы и видим спутник. Во время затмения этот пучок перерезается, и мы спутник не видим. По крайней мере, так бы было, если бы скорость света была бесконечной. Когда пучок света перерезан, он при таких условиях перестал бы существовать на всем своем протяжении, независимо от своей длины. Было бы не важно, находится ли Земля с той же стороны от Солнца, что и Юпитер, или с противоположной.

Но если скорость света все же конечна, то луч, будучи оборванным Юпитером, продолжал бы свое движение к Земле; следовательно, наблюдатель на Земле продолжал бы видеть спутник вплоть до того момента, пока его не достиг бы «оборванный конец» луча: тогда, и только тогда спутник исчез бы из вида, и наблюдалось бы затмение. Чем больше расстояние между Юпитером и Землей, тем больше будет этот промежуток.

Если бы расстояние от Земли до Юпитера было все время одним и тем же, этот временной промежуток был бы постоянным и, следовательно, его можно было бы игнорировать. Но расстояние между Землей и Юпитером не постоянно. Когда Юпитер и Земля находятся на одной стороне от Солнца, их разделяют всего 400 000 000 миль. Когда же они находятся по разные стороны, их может разделять то же расстояние плюс полный диаметр орбиты Земли, то есть около 580 000 000 миль.

Если при наибольшем приближении затмение наступает, скажем, на 8 минут раньше, а при наибольшем отдалении — на 8 минут позже, то получается, что на то, чтобы пересечь диаметр земной орбиты, свету требуется примерно 16 минут. Зная диаметр земной орбиты, несложно высчитать скорость света; Рёмер так и сделал в 1676 году. С высоты сегодняшних знаний полученное им значение является сильно заниженным. Однако ему удалось доказать, что свет движется со скоростью порядка ста пятидесяти тысяч миль в секунду.

Работа Рёмера не была встречена с распростертыми объятиями, но в 1728 году английский астроном Джеймс Брэдли (1693–1762) использовал явление аберрации света для выполнения схожих расчетов. Предположим, что свет от звезды, находящейся рядом с астрономическим Северным полюсом, вертикально падает на Землю. Однако Земля движется по своей орбите под углом к этому направлению и соответственно навстречу лучу света. Чтобы поймать этот луч, телескоп должен быть несколько наклонен, так же как приходится наклонять зонтик в грозу, чтобы защититься от капель дождя, падающих вертикально вниз, но сносимых ветром.

Телескоп должен быть наклонен таким образом, чтобы точно продолжать направление, по которому движется Земля по своей округлой орбите, поэтому и кажется, что звезда движется в небе по крошечной эллиптической орбите. Размер эллипса зависит от отношения скорости движения Земли к скорости движения света. (Если бы Земля стояла неподвижно или если бы скорость света была бесконечной, эллипс бы не наблюдался.) Поскольку скорость движения Земли вокруг Солнца, как известно, равняется 18,5 мили в секунду, скорость света нетрудно подсчитать. По Брэдли, скорость света равнялась около 190 000 миль в секунду.

Однако только в 1849 году вопрос скорости света спустился с небес на землю. Исследователем, сделавшим это, оказался французский физик Арман Ипполит Луи Физо (1819–1896); он вернулся к принципам Галилея, но попытался устранить элемент человеческой реакции.

В его опыте свет вернулся обратно на вершину его холма с вершины другого, не будучи включенным человеком, а будучи отраженным зеркалом. Более того, испускаемый свет должен был проходить между спицами вращающегося колеса; следовательно, свет был «нарезан» на серию кусочков — получалось что-то вроде пунктирной линии света.

Представим себе поведение такого пунктирного света. Свет движется так быстро, что если бы колесо вращалось с обычной скоростью, то каждый отрезок луча успевал бы долететь до зеркала, отразиться и снова оказаться с первоначальной стороны колеса, прежде чем колесо успело бы сколько-нибудь повернуться. Свет вернулся бы в тот же самый промежуток между спицами, из которого был испущен. Глазу наблюдателя предстал бы настолько часто пульсирующий луч, что он показался бы единым и непрерывным. Более того, свет был бы вполне ярким, потому что почти весь испускаемый свет возвращался бы обратно.

Конечно же последняя часть каждой порции света, часть, которая проскочила между спицами в тот момент, когда спица уже почти перерезала луч, на своем пути обратно наткнется на преграду и будет поглощена. Следовательно, отраженный свет потеряет часть своей силы и будет не таким ярким, каким он был бы, если бы никакого колеса на его пути не было.

Чем быстрее будет вращаться колесо, тем большая доля света будет перекрываться спицами по возвращении и тем тусклее, на взгляд наблюдателя, будет становиться отраженный свет. Наконец, его яркость достигнет минимума, когда свет, выходящий в промежуток между спицами, будет полностью приходиться по возвращении на спицу. Но если вращать колесо еще быстрее, то некоторая часть света будет проходить в следующий промежуток, и свет снова будет становиться ярче. В определенный момент весь свет, проходящий через один промежуток, будет возвращаться через следующий, и яркость света вновь достигнет максимума.

Измеряя скорость вращения колеса во время минимума и максимума яркости и зная расстояние от источника света до зеркала, можно было высчитать скорость света. Результаты Физо были не так точны, как результаты того же Брэдли, но Физо спустил измерение на землю, и для его опытов не требовалось участия небесных тел.

У Физо был товарищ по работе, французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868). Он ввел новшество, еще полнее устранившее фактор человеческой ошибки. В устройстве Физо было все еще необходимо выбирать моменты наивысшей и низшей яркости света. Для этого требовалось суждение человека, а на него нельзя полагаться. Вместо колеса Фуко поставил второе зеркало и заставил его вращаться. Вращающееся зеркало посылало свет на закрепленное зеркало только тогда, когда было повернуто в правильном направлении.

К тому времени, как свет отражался от закрепленного зеркала, вращающееся зеркало немного сдвигалось. Соответственно свет отражался не обратно к закрепленному зеркалу, а под небольшим углом. Этот угол можно было измерить по шкале. Из того, насколько повернулось зеркало, и из расстояния между двумя зеркалами можно было с определенной точностью измерить скорость света, что и было сделано.

И более того, Фуко удалось провести эти измерения и тогда, когда свет проходил под водой, а не в воздухе. Он сделал это в 1850 году и обнаружил, что скорость света в воде была заметно меньше, чем в воздухе. Это вполне соответствовало тому, что предполагал Хайгенс почти два века назад, и противоречило тому, что предполагал Ньютон. Для физиков это стало последним доводом, и больше препятствий для принятия волновой теории света не оставалось.

Скорость света при прохождении его в любой прозрачной среде равна его скорости в вакууме, разделенной на коэффициент преломления (n) среды. Скорость света в вакууме принято обозначать с, от латинского celeritas, что означает «скорость». Тогда можно сказать, что:

v = c/n. (Уравнение 5.1)

Если принять скорость света примерно равной 186 000 миль в секунду, то, поскольку коэффициент преломления воды равен 1,33, скорость света в воде получится равной 186 000/1,33 = = 140 000 миль в секунду. Таким же образом, скорость света в стекле с коэффициентом преломления 1,5 равна 124 000 миль в секунду, в то время как в алмазе, коэффициент преломления которого равен 2,42, скорость света падает до 77 000 миль в секунду.

Вещества, у которого коэффициент преломления был бы меньше единицы, пока не обнаружено, и весь предыдущий опыт говорит о том, что такого вещества не существует. Другими словами, в вакууме свет распространяется быстрее, чем в любой материальной среде.

Со времен Фуко в технологию измерения скорости света было внесено много усовершенствований. В 1923 году американский физик Альберт Абрахам Михельсон (1852–1931) применил усовершенствованный аналог установки Фуко и поставил зеркала на расстоянии 22 миль, измерив это расстояние с точностью до дюйма. Еще позже, в 1931 году, он решил устранить помехи, вызываемые воздухом (во-первых, его коэффициент преломления несколько больше 1, а во-вторых, в нем содержится пыль), выкачав воздух из трубы длиной в милю и установив комбинацию из зеркал таким образом, чтобы луч света отражался в одну и в другую сторону, пока не пройдет в вакууме путь длиной в десять миль.

Последние измерения Михельсона свели погрешность измерения скорости света до плюс-минус десяти миль в секунду, но это не удовлетворило физиков. В 1905 году (как мы еще будем иметь возможность удостовериться позднее), скорость света в вакууме была принята за одну из фундаментальных констант Вселенной, поэтому речи не шло ни о какой передышке в процессе установления точной скорости света. После Второй мировой войны были разработаны еще более тонкие способы измерения скорости света, и, наконец, в 1963 году Национальное бюро стандартов приняло следующее значение для с: 186 281,7 мили в секунду.

Для полной точности они приняли это значение в метрической системе, и в ней по любопытному совпадению скорость света оказалась почти круглым числом: 299 792,8 километра в секунду.

Как вы видите, этому значению чуть-чуть не хватает до 300 000 километров в секунду, или 30 000 000 000 сантиметров в секунду. Это последнее значение можно записать как 3?10¹⁰ см/с.

На этой скорости свет проходит от Луны до Земли за 1? секунды, а от Солнца до Земли за 8 минут. За год свет проходит 9 450 000 000 000 километров, или 5 900 000 000 000 миль, и это расстояние называется световой год.

Световой год стал удобной единицей измерения в астрономии, поскольку все объекты вне нашей Солнечной системы отделены от нас столь большими расстояниями, что меньшие единицы измерения для них не годятся. Ближайшие к нам небесные тела, составляющие систему альфы Центавра, находятся от нас на расстоянии в 4,3 светового года, а диаметр нашей Галактики составляет около 100 000 световых лет.