Кто первый определил скорость света. Ученые и их эксперименты. На современном этапе

Художественное представление космического корабля, совершающего прыжок к "скорости света". Предоставлено: NASA/Glenn Research Center.

С древних времен философы и ученые стремились понять свет. Кроме того, пытаясь определить его основные свойства (т.е. из чего он состоит - частица или волна и т.д.), они также стремились проделать конечные измерения того, как быстро он движется. С конца 17 века ученые делают именно это, и с возрастающей точностью.

Поступая таким образом, они получили лучшее понимание механики света, и какую важную роль он играет в физике, астрономии и космологии. Проще говоря, свет движется с невероятной скоростью, и это самый быстро движущийся объект во Вселенной. Его скорость является постоянной и неприступным барьером и используется в качестве измерения расстояния. Но насколько же быстро он движется?

Скорость света (с):

Свет движется с постоянной скоростью 1 079 252 848,8 км/ч (1,07 млрд). Что получается 299 792 458 м/с. Расставим все по своим местам. Если вы могли бы двигаться со скоростью света, вы смогли бы обогнуть земной шар примерно семь с половиной раз в секунду. Между тем, у человека, летящего со средней скоростью 800 км/ч, заняло бы более 50 часов, чтобы обогнуть планету.

Иллюстрация, показывающая расстояние, которое свет проходит между Землей и Солнцем. Предоставлено: LucasVB/Public Domain.

Рассмотрим это с астрономической точки зрения, среднее расстояние от до 384 398,25 км. Поэтому свет проходит это расстояние примерно за секунду. Между тем, среднее 149 597 886 км, что означает, что свету требуется всего около 8 минут, чтобы совершить это путешествие.

Неудивительно тогда, почему скорость света - это показатель, используемый для определения астрономических расстояний. Когда мы говорим, что звезда, такая как , находится в 4,25 световых годах, мы подразумеваем, что для того, чтобы добраться туда, потребуется, путешествуя с постоянной скоростью 1,07 млрд км/ч, около 4 лет и 3 месяцев. Но как же мы пришли к этому весьма конкретному значению скорости света?

История изучения:

До 17 века ученые были уверены в том, что свет путешествовал с конечной скоростью, или мгновенно. Со времен древних греков до средневековых исламских богословов и ученых нового времени шли дебаты. Но до тех пор, пока ни появилась работа датского астронома Оле Рёмера (1644-1710), в которой были проведены первые количественные измерения.

В 1676 году Рёмер наблюдал, что периоды самой внутренней луны Юпитера Ио казались короче, когда Земля приближалась к Юпитеру, чем когда она удалялась. Из этого он заключил, что свет движется с конечной скоростью, и по оценкам, ему требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли.

Профессор Альберт Эйнштейн на 11-й лекции Джозайи Уилларда Гиббса в Технологическом Институте Карнеги 28 декабря 1934 года, где он разъясняет свою теорию о том, что материя и энергия - это одно и то же в разных формах. Предоставлено: AP Photo.

Христиан Гюйгенс использовал эту оценку и объединил её с оценкой диаметра орбиты Земли, чтобы получить оценку в 220000 км/с. Исаак Ньютон также рассказывал о расчетах Рёмера в своей основополагающей работе "Оптика" 1706 года. Внося поправки для расстояния между Землей и Солнцем, он подсчитал, что свету потребуется семь или восемь минут, чтобы добраться от одного к другому. В обоих случаях была сравнительно небольшая погрешность.

Более поздние измерения, проведенные французскими физиками Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868), уточнили эти показатели, приведя к значению 315000 км/с. И ко второй половине 19 века ученым стало известно о связи между светом и электромагнетизмом.

Это было достигнуто физиками за счет измерения электромагнитных и электростатических зарядов. Затем они обнаружили, что числовое значение было очень близко к скорости света (как измерил Физо). Исходя из его собственной работы, которая показала, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве, немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер предположил, что свет был электромагнитной волной.

Следующий большой прорыв произошёл в начале 20-го века. В своей статье под названием "К электродинамике движущихся тел" Альберт Эйнштейн утверждает, что скорость света в вакууме, измеренная наблюдателем, имеющим постоянную скорость, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или наблюдателя.

Лазерный луч, светящий через стакан с водой, показывает, скольким изменениям он подвергается, когда проходит из воздуха в стекло, в воду и обратно в воздух. Предоставлено: Bob King.

Взяв это утверждение и принцип относительности Галилео за основу, Эйнштейн вывел специальную теорию относительности, в которой скорость света в вакууме (с) является фундаментальной константой. До этого соглашение среди ученых гласило, что космос был заполнен "светоносным эфиром", который отвечает за его распространение - т.е. свет, движущийся через движущуюся среду будет плестись в хвосте среды.

Это в свою очередь означает, что измеренная скорость света была бы простой суммой его скорости через среду плюс скорость той среды. Тем не менее, теория Эйнштейна сделала концепцию неподвижного эфира бесполезной и изменила представление о пространстве и времени.

Она (теория) не только продвинула идею о том, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах, но также была высказана мысль о том, что происходят серьезные изменения, когда вещи движутся близко к скорости света. К ним относятся пространственно-временные рамки движущегося тела, кажущегося замедляющимся, и направление движения, когда измерение происходит с точки зрения наблюдателя (т.е. релятивистские замедление времени, где время замедляется при приближении к скорости света).

Его наблюдения также согласуются с уравнениями Максвелла для электричества и магнетизма с законами механики, упрощают математические расчеты, уходя от несвязанных аргументов других ученых, и согласовываются с непосредственным наблюдением скорости света.

Насколько похожи материя и энергия?

Во второй половине 20-го века всё более точные измерения с помощью метода лазерных интерферометров и резонансных полостей далее уточняли оценки скорости света. К 1972 году группа в Национальном бюро стандартов США в Боулдере, Колорадо, использовала метод лазерной интерферометрии, чтобы получить принятое в настоящее время значение 299 792 458 м/с.

Роль в современной астрофизике:

Теория Эйнштейна о том, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и инерциальный системы отсчета наблюдателя, с тех пор неизменно подтверждается множеством экспериментов. Она также устанавливает верхний предел скорости, с которой все безмассовые частицы и волны (включая свет) могут распространяться в вакууме.

Один из результатов этого в том, что космологии теперь рассматривают пространство и время как единую структуру, известную как пространство-время, в которой скорость света может быть использована для определения значения обоих (т.е. световые года, световые минуты и световые секунды). Измерение скорости света также может стать важным фактором при определении ускорения расширения Вселенной.

В начале 1920-х с наблюдениями Леметра и Хаббла ученым и астрономам стало известно, что Вселенная расширяется из точки происхождения. Хаббл также заметил, чем дальше галактика, тем быстрее она движется. То, что сейчас называют постоянной Хаббла - это скорость, с которой расширяется Вселенная, она равна 68 км/с на мегапарсек.

Как быстро расширяется Вселенная?

Это явление, представленное в виде теории, означает, что некоторые галактики на самом деле могут двигаться быстрее скорости света, что может наложить ограничение на то, что мы наблюдаем в нашей Вселенной. По сути, галактики, движущиеся быстрее скорости света, пересекли бы "космологический горизонт событий", где они больше не видны для нас.

Кроме того, к 1990-м измерения красного смещения далёких галактик показали, что расширение Вселенной ускоряется за последние несколько миллиардов лет. Это привело к теории "Темной Энергии", где невидимая сила движет расширением самого пространства, а не объектов, движущихся через него (при этом не поставив ограничение на скорость света или нарушение относительности).

Наряду со специальной и общей теорией относительности современное значение скорости света в вакууме сформировалось из космологии, квантовой механики и Стандартной модели физики элементарных частиц. Она остается постоянной, когда речь идет о верхнем пределе, с которым могут двигаться безмассовые частицы и остается недостижимым барьером для частиц, имеющих массу.

Вероятно, когда-нибудь мы найдем способ превысить скорость света. Пока у нас нет практических идей о том, как это может происходить, похоже "умные деньги" на технологиях позволят нам обойти законы пространства-времени, либо путем создания варп-пузырей (ака. варп-двигатель Алькубьерре) либо туннелирование через него (ака. червоточины).

Что такое червоточины?

До этого времени мы просто будем вынуждены довольствоваться Вселенной, которую мы видим, и придерживаться исследования той части, до которой можно добраться с помощью обычных методов.

Название прочитанной вами статьи "Что такое скорость света?" .

В экспериментах участвует Вселенная

Метод, с помощью которого Леверье , покорил воображение ученых. За движением Нептуна стали тщательно следить и вскоре обнаружили столь значительные различия между наблюдаемой и теоретической орбитами нового светила, что это могло быть объяснено только существованием еще одной планеты, расположенной за Нептуном!

18 февраля 1930 года молодой астроном Клайд Томбо из Ловелловской обсерватории в Америке наконец обнаружил (на расстоянии, почти в три раза превышающем радиус орбиты Нептуна) новую планету Солнечной системы, получившую название Плутон . Томбо тем самым подтвердил расчеты известных астрономов-теоретиков ПерсиваляЛовелла и Вильяма Пикеринга.

Поистине, как сказал знаменитый французский оптик и астроном Франсуа Араго, «…умственные глаза могут заменять сильные телескопы…».

Больших планет Солнечной системы стало девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Между Марсом и Юпитером расположено большое число маленьких планет, получивших название астероидов. Однако астрономы продолжают искать новые планеты.

Теоретические прогнозы показали, что пока на перемещения небесных тел в Солнечной системе не влияет притяжение далеких звезд и других планетарных систем нашей галактики. Солнце должно «привлекать» к себе малые и большие планеты. Сила тяготения Солнца распространяется на расстояние в 200 тысяч раз большее, чем путь от Земли до Солнца!

Не может быть, чтобы в таком огромном пространстве не было плотных небесных тел, хотя пока поиски десятой планеты Солнечной системы с помощью самых мощных современных телескопов не увенчались успехом…

Как мы видим, небесная механика неизменно подтверждает законы земной механики, выведенные Ньютоном. Движение небесных тел, как выяснилось еще во времена Ньютона, позволяет не только проверить закон всемирного тяготения, но и дает в руки исследователей прекрасный способ определения скорости света .

Странно, что о таком способе не догадался Галилей, предлагавший для этой цели лишь опыт с фонарями. Два человека стоят на большом удалении друг от друга с фонарями в руках и отмечают время, за которое свет внезапно зажженного фонаря преодолеет расстояние между ними. Опыт, к сожалению, совершенно неосуществимый из-за слишком большой скорости света…

Как измерили скорость света?

В сентябре 1676 года молодой датчанин Олаф Рёмер , работавший в Парижской обсерватории, представил Французской Академии наук доклад, в котором описал, как, пользуясь вращением Земли вокруг Солнца, можно определить скорость света.

Рёмер при своих исследованиях наблюдал перемещение одного из спутников Юпитера. Время полного оборота спутника вокруг планеты было строго постоянным и хорошо известным астрономам. Рёмер заметил: если Земля при своем вращении вокруг Солнца находится в наиболее удаленной от Юпитера точке орбиты, то вхождение спутника в тень Юпитера астрономы наблюдают на 22 минуты позже, чем в тот момент, когда Земля находится к Юпитеру ближе всего. Рёмер догадался о причине странного явления - свету нужно 22 минуты, чтобы преодолеть расстояние от ближайшей до наиболее далекой от Юпитера точки орбиты Земли. Зная время, которое тратит на это свет, и вычислив диаметр орбиты Земли, мы легко можем определить скорость света!

Вероятно, это был один из первых в истории науки случаев, когда ученый пользовался Вселенной как гигантской естественной лабораторией…

Рёмер получил значения скорости света, которые раза в полтора меньше современных значений этой величины. Но за это вряд ли можно его упрекнуть: мы же знаем, какими приборами измерял время его великий современник Галилео Галилей.

Астрономический способ измерения скорости света широко использовался физиками в течение трех веков, прошедших после наблюдений и расчетов Рёмера. Сейчас общепринятым считается значение скорости света в вакууме, равное 299,79 тысячи километров в секунду.

В XIX веке научились определять скорость света на Земле. Высокого совершенства достиг в этих экспериментах американский физик Альберт Майкельсон. Его сложный массивный прибор со множеством зеркал, удлинявших путь света, был размещен на каменной плите площадью 1,5 м 2 и толщиной 30 см. Чтобы избежать малейших возможных сотрясений прибора, подставка для плиты была заполнена ртутью.

Майкельсон установил, что скорость света не зависит от направления луча, на распространение света не влияет вращение Земли. Исключительная тщательность опытов Майкельсона, достигнутая в начале XIX века высокая точность в определении истинного значения скорости света, быть может, натолкнула Альберта Эйнштейна на мысль считать скорость света в вакууме самой высокой скоростью, которая возможна в Природе. Эта мысль составляет один из важнейших постулатов созданной Эйнштейном теории относительности - наиболее общей современной теории движения, в которую законы Ньютона вошли как частный случай.

Известно, что скорость света в вакууме конечна и составляет ≈300 000 км/c. На этих данных основана вся современная физика и все современные космические теории. Но ещё совсем недавно ученые были уверены, что скорость света бесконечна, и мы мгновенно видим то, что происходит в самых дальних уголках космоса.

О том, что такое свет, люди начали задумываться ещё в глубокой древности. Свет от пламени свечи, мгновенно распространяющийся по помещению, вспышки молний на небесах, наблюдение за кометами и другими космическими телами на ночном небе давало ощущение, что скорость света бесконечна. Действительно, трудно поверить, что, например, смотря на Солнце, мы наблюдаем его не в настоящем состоянии, а таким, какое оно было около 8 минут назад.

Но некоторые люди всё же подвергали сомнению устоявшуюся, казалось бы, истину о бесконечности скорости света. Одним из таких людей был Исаак Бенгман, который в 1629 году попробовал провести эксперимент по определению конечной скорости света. В его распоряжении не было, конечно же, ни компьютеров, ни высокочувствительных лазеров, ни высокоточных часов. Вместо этого ученый решил произвести взрыв. Наполнив емкость взрывчатым веществом, он на различном расстоянии от неё установил большие зеркала и попросил наблюдателей определить, в каком из зеркал вспышка от взрыва появится раньше. Учитывая, что за одну секунду свет способен обогнуть землю 7,5 раз, можно догадаться, что эксперимент закончился провалом.

Чуть позже небезызвестный Галилей, который тоже подвергал сомнению бесконечность скорости света, предложил свой эксперимент. Он поставил своего помощника с фонарем на один холм, а сам встал с фонарем на другой. Когда Галилей поднял крышку со своего фонаря, его помощник сразу же поднял крышку с противоположного фонаря. Конечно, этот эксперимент тоже не мог увенчаться успехом. Единственное, что Галилей мог предположить, было то, что скорость света намного быстрее человеческой реакции.

Получается, единственным выходом из положения было участие в эксперименте тел, достаточно сильно удаленных от Земли, но которые можно было бы наблюдать при помощи телескопов того времени. Такими объектами стали Юпитер и его спутники. В 1676 году астроном Оле Рёмер пытался определить долготу между различными точками на географической карте. Для этого он использовал систему по наблюдению за затмением одного из спутников Юпитера – Ио. Свои исследования Оле Рёмер вел с острова недалеко от Копенгагена, в то время как другой астроном Джованни Доменико Кассини наблюдал за этим же затмением из Парижа. Сравнив время начала затмения между Парижем и Копенгагеном, ученые определили разницу в долготе. Несколько лет подряд Кассини наблюдал за спутниками Юпитера из одного и того же места на Земле и заметил, что время между затмениями спутников становится короче, когда Земля находится к Юпитеру ближе, и длиннее, когда Земля отдалена от Юпитера. На основании своих наблюдений он предположил, что скорость света конечна. Это было абсолютно верное решение, но почему-то Кассани вскоре отказался от своих слов. Зато Рёмер воспринял идею с энтузиазмом, и даже сумел составить хитроумные формулы, учитывающие диаметр Земли и орбиту Юпитера. В результате он посчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли вокруг Солнца. Его расчеты были неверны: по современным данным, свет проходит это расстояние за 16 минут и 40 секунд. Если бы вычисления Оле были бы точными, то скорость света составляла бы 135 000 км/c.

Позже, основываясь на вычислениях Рёнера, Христиан Гюйенс подставил в формулы более точные данные диаметра Земли и орбиты Юпитера. В итоге он получил скорость света равную 220 000 км/c, что намного ближе к верному значению.

Но не все ученые подсчитали гипотезу о конечности скорости света верной. Научные дебаты продолжались до 1729 года, когда было открыто явление световой абберации, которое подтвердило предположение о конечности скорости света и позволило более точно измерить её значение.

Это интересно: современные ученые и историки приходят к выводу, что, скорее всего, формулы Рёмера и Гюйенса были верными. Ошибка заключалась в данных об орбите Юпитера и диаметре Земли. Получается, ошибались не два астронома, а люди, предоставившие им информацию об орбите и диаметре.

Основное фото: depositphotos.com

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Впервые скорость света определил в 1676 Оле Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутника Юпитера Ио.

С явлением света мы впервые знакомимся ещё в 9 классе. В 11-м начинаем рассматривать интереснейший материал о том, что такое скорость света.
Оказывается, история открытия этого явления не менее интересна, чем само явление.

Нужды торговли, которая развивалась быстрыми темпами, и возрастающее значение мореплавания побудили французскую Академию наук заняться уточнением географических карт, для чего, в частности, требовался более надежный способ определения географической долготы. Оле Ремер - молодой датский астроном - был приглашен работать в новую парижскую обсерваторию.

Ученые предложили использовать для определения парижского времени и времени на борту корабля небесное явление, наблюдаемое ежедневно в один и тот же час. По этому явлению мореплаватель или географ мог бы узнать парижское время. Таким явлением, видимым с любого места на море или на суше, является затмение одного из четырех больших спутников Юпитера, обнаруженных Галилеем в 1609 году.

Спутник Ио проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками составил 42 часа 28 минут. Такие же измерения, проведенные полгода спустя, показали, что спутник опоздал, появившись из тени на 22 минуты позже по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио. Скорость имеет неточный результат из-за неверного определения времени запаздывания.

В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света. Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало 2 — на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса 12,6 об/с.

Свет от источника проходил через зубья вращающегося колеса и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому колесу. Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Используя метод вращающегося затвора, Физо получил значение скорости света: 3,14.105 км/с.

Весной 1879 года газета "Нью-Йорк Таймс" сообщила: "На научном горизонте Америки появилась новая яркая звезда. Младший лейтенант морской службы, выпускник Морской академии в Аннаполисе Альберт Майкельсон, которому еще нет и 27 лет, добился выдающегося успеха в области оптики: он измерил скорость света!" Примечателен тот факт, что на выпускных экзаменах в академии Альберту достался вопрос об измерении скорости света. Кто мог предположить, что через короткое время Майкельсон сам войдет в историю физики, как измеритель скорости света.

До Майкельсона только единицам (все они были французами) удалось измерить ее с помощью земных средств. А на американском континенте до него никто даже не пытался поставить этот трудный эксперимент.

Установка Майкельсона размещалась на двух горных вершинах, разделенных расстоянием 35,4 км. Зеркалом служила восьмигранная стальная призма на горе Сан Антонио в Калифорнии, сама установка находилась на горе Маунт-Вильсон. После отражения от призмы луч света попадал на систему зеркал, возвращающих его назад. Для того чтобы луч попадал в глаз наблюдателя, вращающаяся призма должна за время распространения света туда и обратно, успеть повернуться хотя бы на 1/8 оборота.

Майкельсон писал: "То, что скорость света - является категорией, недоступной человеческому воображению, и что с другой стороны ее возможно измерить с необыкновенной точностью, делает ее определение одной из самых увлекательных проблем, с которыми может столкнуться исследователь.
Наиболее точное измерение скорости света было получено в 1972 году американским ученым К. Ивенсоном с сотрудниками. В результате независимых измерений частоты и длины волны лазерного измерения ими было получено значение 299792456,2±0,2м/с.

Однако в 1983 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов было принято новое определение метра (это длина пути, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды), из которого следует что скорость света в вакууме абсолютно точно равна с=299 792 458 м/с.

1676 г. - Оле Ремер - астрономический метод
с= 2,22.108 м/с

1849г. - Луи Физо - лабораторный метод
с= 3,12.108 м/с

1879 г. Альберт Майкельсон - лабораторный метод
C= 3,001.108м/с

1983 г. Заседание Генеральной ассамблеи мер и весов
с=299792458 м/с

В давние времена многие ученые считали скорость света бесконечной. Итальянский физик Галилео Галилей был одним из первых, кто попробовал ее измерить.

Первые попытки

В начале XVII столетия Галилей предпринял эксперимент, состоявший в том, что два человека с прикрытыми фонарями стояли на известном расстоянии друг от друга. Один человек подавал свет, и как только другой его видел, он раскрыл свой собственный фонарь. Галилей попытался записывать время между вспышками, но затея оказалась неудачной по причине слишком малого расстояния. Скорость света не могла быть измерена таким способом.

В 1676 году датский астроном Оле Ремер стал первым человеком, доказавшим, что свет распространяется с конечной скоростью. Он изучал затмения спутников Юпитера и заметил, что они происходят раньше или позже, чем ожидалось по расчетам (раньше, когда Земля ближе к Юпитеру, и позже, когда Земля дальше). Румер логично предположил, что запаздывание обусловлено временем, необходимым на преодоление расстояния.

На современном этапе

В последующие столетия ряд ученых работал над определением скорости света с использованием усовершенствованных приборов, изобретая все более точные методы расчетов. Французский физик Ипполит Физо произвел в 1849 году первые неастрономические измерения. В использованной методике применено вращающееся зубчатое колесо, через которое пропускался свет, и система зеркал, расположенная на значительном удалении.

Более точные расчеты скорости сделаны в 1920-е годы. Эксперименты американского физика Альберта Майкельсона проходили в горах Южной Калифорнии с применением восьмигранного вращающегося зеркального аппарата. В 1983 году Международная комиссия по мерам и весам официально признала величину скорости света в вакууме, которую сегодня применяют при расчетах все ученые мира. Она составляет 299 792 458 м/с (186,282 миль/сек). Таким образом, за одну секунду свет преодолевает расстояние, равное экватору Земли 7,5 раз.