Определение скорости света. Тайна эфира

Когда бы мы ни нажали на выключатель, свет заливает комнату мгновенно. Чтобы свет от лампочки достиг нашего глаза, требуется ничтожная доля секунды. Это столь малый промежуток времени, что мы не в состоянии его представить. Когда-то считалось, что скорость света бесконечна и потому он распространяется мгновенно.

Однако некоторые исследователи-и среди них выдающийся итальянский ученый Галилей (1564-1642) - подвергали этот взгляд сомнению. Галилей пытался измерить скорость света, определяя время его распространения между двумя холмами, расстояние между которыми было известно. Его эксперимент был неубедительным, но показал, что если свет имеет определенную скорость, то она очень велика. Это нашло подтверждение при наблюдении спутников Юпитера, произведенном датским астрономом Оле Рёмером (1644-1710) в 1675 г. Спутники, открытые Галилеем в 1610 г., часто закрываются Юпитером. Рёмер обнаружил, что точность предсказания времени этих затмений колеблется в пределах 22 мин. Он предположил, что это несоответствие объясняется тем, что расстояние между Землей и Юпитером изменяется в зависимости от их положений на орбитах, по которым они движутся вокруг Солнца. Поэтому свету требуется разное время, чтобы дойти от Юпитера до Земли. Зная соответствующие расстояния, Рёмер произвел довольно точную оценку скорости света, получив значение 227 ООО км/с. Действительная скорость света близка к 300000 км/с.

Скорость света впервые была измерена Оле Рёмером в 1675 г. (А). Он наблюдал затмения спутников (1) Юпитера, обусловленные положением Юпитера (2). Свет от спутников достигал Земли (3) быстрее, когда Земля и Юпитер находились по одну сторону относительно Солнца, чем в том случае, когда планеты располагались с разных сторон от Солнца (Б). Зная расстояния и измеряя промежутки времени в этих случаях, Рёмер вычислил скорость света. Другой метод измерения (В) был предложен в 1849 г. Арманом Физо. Свет проходил между зубцами вращающегося колеса (4), отражался от зеркала (5) и затем, проходя между другими зубцами, попадал в глаз наблюдателя. Зная ширину зубца, скорость вращения колеса и расстояние до зеркала (8 км), Физо весьма точно рассчитал скорость света

Другое астрономическое определение скорости света было выполнено английским астрономом Джеймсом Брэдли (1693-1762) в 1728 г. Он заметил, что в зависимости от положения Земли на орбите звезды видны под несколько различными углами. Это явление обусловлено движением Земли по орбите, а различия в направлениях на звезду связаны простой зависимостью с разностью скорости этого движения и скорости света. На основании этого Брэдли определил значение скорости света-оно оказалось того же порядка, что и у Рёмера.

Дальнейшие измерения скорости света были полностью «земными» -в них использовались чувствительные приборы, позволяющие точно измерить время прохождения светом того или иного известного расстояния. Измерительные устройства содержали зеркала, которые отражали свет вдоль определенного пути; время распространения света измерялось при помощи различных затворов. В современных устройствах используются электронные затворы, способные действовать очень быстро.

В настоящее время принято значение скорости света, равное 299792,458 км/с. Это скорость света в вакууме. Когда свет проникает в среду - воздух, воду или стекло,-она уменьшается. Изменение скорости света при попадании в среду приводит к искривлению световых лучей, т. е. к преломлению. Коэффициент преломления среды равен отношению скорости света в вакууме к его скорости в среде. Например, коэффициент преломления воды равен 1,333 (или 4/3), иначе говоря, скорость света в воде составляет только три четверти его скорости в вакууме.

В 1927 г. для измерения скорости света Майкельсон использовал вращающуюся стальную призму. Свет, отражаясь от одной из ее граней, падал на плоское зеркало, удаленное на расстояние 35 км, и отражаясь от него поподал на другую грань вращающейся призмы и от нее - в глаз наблюдателя. Изображение источника света наблюдалось сначала при неподвижной призме, а затем при ее вращении со скоростью при которой за промежуток времени, необходимый для прохождения светом пути в 70 км, призма поворачивалась настолько, что свет отражался теперь от соседней грани

Тайна эфира. Установив, что свет имеет определенную скорость, ученые задумались над тем, как световые волны распространяются в пространстве. Другие известные тогда волновые движения возникали лишь в средах, где они могли распространяться, так, например, звук распространялся в воздухе. Значит, и свет должен распространяться в какой-то среде. Но поскольку подобную среду не удалось обнаружить, ее придумали. Она получила название «эфир», и считалось, что он заполняет всю Вселенную. Эфир породил множество щекотливых проблем. Было известно, что «обычные» волны движутся быстрее в более плотных и более упругих средах; в таком случае распространение света (с его очень высокой скоростью) теоретически требовало среды плотнее стали. Кроме того, было непонятным, каким образом планеты непрерывно движутся в пространстве, не встречая сопротивления со стороны эфира. Возникало много и других недоразумений.

В 80-х годах прошлого столетия два американских физика - Альберт Майкельсон (1852-1931) и Эдвард Морли (1838-1923) - изготовили простое устройство для обнаружения эфира. В нем пучок света разделялся на два перпендикулярных пучка, которые после отражения от зеркал вновь сходились. Пути этих лучей немного отличались, так что их наложение создавало интерференционную картину. Майкельсон и Морли наблюдали за движением лучей в одном направлении, а затем поворачивали прибор под прямым углом и вновь производили наблюдения. Если бы свет распространялся в эфире, он проходил бы разные пути в направлении движения Земли и в перпендикулярном ему направлении. Поворот прибора выявил бы различие в интерференционных картинах, если бы оно существовал«?. В данном опыте-как и во многих повторениях его-ничего подобного обнаружено не было.

В опыте Майкельсона - Морли, произведенном в 1887 г., наблюдалась интерференционная картина, создаваемая двумя пучками света, идущими под прямым углом. Ожидалось, что вследствие движения Земли вокруг Солнца скорость света на пути АБГ должна быть выше, чем на пути АВГ. Чувствительный интерферометр должен был бы зафиксировать изменения интерференционной картины. Но никаких изменений обнаружено не было.

При движении источника света относительно наблюдателя, согласно эффекту Доплера, длина волны света (т.е. его цвет) изменяется. Однако этот эффект можно заметить, только наблюдая свет от звезд, которые движутся достаточно быстро. Если звезда и наблюдатель удаляются друг от друга (А), то длина волны света увеличивается и свет становится более красным (Б). Это красное смещение обнаруживается в сдвиге линий в спектре звезды (2 и 1). Если звезда и наблюдатель приближаются друг к другу (В), то длина волны уменьшается и свет становится голубее (3). Аналогичный эффект изменения частоты радиоволн используется для обнаружения движущихся объектов в радиолокации.