Скорость света и методы её определения. Способы определения скорости света Способы определения скорости света

Экспериментальные методы определения скорости света

Существуют различные методы измерения скорости света, в том числе астрономические и с использованием различной экспериментальной техники. Точность измерения величины с постоянно увеличивается. В данной таблице дан неполный перечень экспериментальных работ по определению скорости света.

Первое удачное измерение скорости света относится к 1676 г. Астрономический метод Рёмера основывается на измерении скорости света по наблюдениям с Земли затмений спутников Юпитера. Юпитер имеет несколько спутников, которые либо видны с Земли вблизи Юпитера, либо скрываются в его тени. Астрономические наблюдения над спутниками Юпитера показывают, что средний промежуток времени между двумя последовательными затмениями какого-нибудь определенного спутника Юпитера зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Земля и Юпитер во время наблюдений.

Рис. 1. Метод Ремера. С - Солнце, Ю - Юпитер, З - Земля

За полгода наблюдения нарушение периодичности наблюдаемого начала затмения возрастали, достигая величины около 20 мин. Но это почти равно времени, за которое свет проходит расстояние, равное диаметру орбиты движения Земли вокруг Солнца (порядка 17 мин.). Скорость света, измеренная Рёмером, была равна: c= 214300 км/с.

По истечение еще 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут вновь находиться в противостоянии. За это время совершилось (n-1) оборотов спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда Земля и Юпитер занимали положения З2 и Ю2, а последнее - когда они занимали положение З3 и Ю3. Первое затмение наблюдалось на Земле с запозданием (R+r)/с, а последнее с запозданием (R-r)/c по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера.

Рёмер измерил промежутки времени Т1 и Т2 и нашел, что Т1-Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т1-Т2=4r/с, поэтому с=4r/1980 м/с. Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солнца, равным 1500000000 км, находим для скорости света значение:

Этот результат был первым измерением скорости света. Метод Рёмера был не очень точен, но именно его расчеты показали астрономам, что для определения истинного движения планет и их спутников необходимо учитывать время распространения светового сигнала.

Рис. 2

Определение скорости света по наблюдению аберрации в 1725-1728 гг. Брадлей предпринял наблюдение с целью выяснить, существует ли годичный параллакс звезд, т.е. кажущееся смещение звезд на небесном своде, отображающее движение Земли по орбите и связанное с конечностью расстояния от Земли до звезды.

Брадлей действительно обнаружил подобное смещение. Он объяснил наблюдаемое явление, названное им аберрацией света, конечной величиной скорости распространения света и использовал его для определения этой скорости.

Зная угол α и скорость движения Земли по орбите v, можно определить скорость света c. У него получилось значение скорости света равной 308000 км/с. Важно заметить, что аберрация света связана с изменением направления скорости Земли в течение года. Постоянную скорость, как бы велика она ни была, нельзя обнаружить с помощью аберрации, ибо при таком движении направление на звезду остается неизменным и нет возможности судить о наличии этой скорости и о том, какой угол с направлением на звезду она составляет. Аберрация света позволяет судить лишь об изменении скорости Земли.

В 1849 г. впервые определение скорости света выполнил вы лабораторных условиях А. Физо. Его метод назывался методом зубчатого колеса. Характерной особенностью его метода является автоматическая регистрация моментов пуска и возвращения сигнала, осуществляемая путем регулярного прерывания светового потока (зубчатое колесо).

Рис 3 . Схема опыта по определению скорости света методом зубчатого колеса

Свет от источника проходил через прерыватель (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому колесу. Зная расстояние между колесом и зеркалом, число зубьев колеса, скорость вращения, можно вычислить скорость света.

Зная расстояние D, число зубьев z, угловую скорость вращения (число оборотов в секунду) v, можно определить скорость света. У него получилось она равной 313000 км/с.

Разрабатывали много способов, чтобы еще повысить точность измерений. Вскоре даже стало необходимо учитывать показатель преломления в воздухе. И вскоре в 1958 г. Фрум получил значение скорости света равной 299792,5 км/с, применяя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор (ячейку Керра).

Впервые скорость света была определена датским астрономом Ремером в 1676 г. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика. Другие же хотя и считали ее очень большой, тем не менее конечной. Ремер подтвердил второе мнение. Он правильно связал нерегулярности во времени затмений спутников Юпитера со временем, которое необходимо свету для прохождения по диаметру орбиты Земли вокруг Солнца. Он впервые сделал вывод о конечной скорости распространения света и определил ее величину. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с в современных единицах. (Данные взяты из книги: Г. Липсон. Великие эксперименты в физике.)

Фуко метод

Метод измерения скорости света, заключающийся в последовательном отражении пучка света от быстро вращающегося зеркала, затем от второго неподвижного зеркала, расположенного на точно измеренном расстоянии, и затем вновь от первого зеркала, успевшего повернуться на некоторый малый угол. Скорость света определяют (при известных скорости вращения первого зеркала и расстоянии между двумя зеркалами) по изменению направления трижды отражённого светового луча. Используя этот метод, скорость света в воздухе впервые измерил Ж. Б. Л. Фуко в 1862.

В 1878–82 и 1924–26 провёл измерения скорости света, долгое время остававшиеся непревзойдёнными по точности. В 1881 экспериментально доказал и совместно с Э. У. Морли (1885–87) подтвердил с большой точностью независимость скорости света от скорости движения Земли.

На том же принципе основано и действие Угловых отражателей оптического диапазона, который представляет собой небольшую трёхгранную призму из прозрачного стекла, грани которой покрыты тонким слоем металла. Такой У. о. обладает высоким Sэф из-за большого отношения а/l. Для получения всенаправленного У. о. используют систему нескольких призм. Оптические У. о. получили распространение после появления лазеров. Они используются в навигации, для измерения расстояний и скорости света в атмосфере, в экспериментах с Луной и др. Оптические У. о. в виде цветного стекла со многими углублениями тетраэдрической формы применяются как средство сигнализации в автодорожном хозяйстве и в быту.

Знаменитый американский ученый Альберт Майкельсон почти всю жизнь посвятил измерению скорости света.

Однажды ученый осматривал предполагаемый путь светового луча вдоль полотна железной дороги. Он хотел построить еще более совершенную установку для еще более точного метода измерения скорости света. До этого он уже работал над этой проблемой несколько лет и добился самых точных для того времени значений. Поведением ученого заинтересовались газетные репортеры и, недоумевая, спросили, что он тут делает. Майкельсон объяснил, что он измеряет скорость света.

– А зачем? – последовал вопрос.

– Потому что это дьявольски интересно, – ответил Майкельсон.

И никто не мог предполагать, что эксперименты Майкельсона станут фундаментом, на котором будет построено величественное здание теории относительности, дающей совершенно новое представление о физической картине мира.

Пятьдесят лет спустя Майкельсон все еще продолжал свои измерения скорости света.

Kaк-то раз великий Эйнштейн задал ему такой же вопрос:

– Потому что это дьявольски интересно! – спустя полвека ответил Майкельсон и Эйнштейну.

Метод Физо

В 1849 г. А. Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света. Свет от источника 5 проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала 3, 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. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно t=2L/c окажется равным времени поворота зубчатого колеса на половину прорези t2=T/(2N)=1/(2Nv). Здесь L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала; Т – период вращения зубчатого-колеса; N – число зубцов; v=1/T – частота вращения. Из равенства t1=t2 следует расчетная формула для определения скорости света данным методом:

c=4LNv

Используя метод вращающегося затвора, Физо в 1849 г. получил значение скорости света с=3,13-10**5 км/с, что было совсем неплохо по тем временам. В дальнейшем использование различных затворов позволило существенно уточнить значение ско- рости света. Так, в 1950 г. получено значение скорости света (в вакууме), равное:

с= (299 793,1 ±0,25) км/с.

Остроумное решение сложной задачи определения скорости света было найдено в 1676 г. датским астрономом Олафом Ремером.

Олаф Ремер, наблюдая движение спутников Юпитера, заметил, что во время затмения спутник выходит из области тени периодически запаздывая. Ремер объяснил это тем, что к моменту очередного наблюдения Земля находится в иной точке своей орбиты, чем в предыдущий раз, и, следовательно, расстояние между ней и Юпитером иное. Максимальная величина, на которую возрастает это расстояние, равняется диаметру земной орбиты. И именно тогда, когда Земля больше всего удалена от Юпитера, спутник выходит из тени с наибольшим запаздыванием.

Сопоставив эти данные, Ремер пришел к выводу, что свет от спутника проходит расстояние, равное диаметру земной орбиты – 299 106 тыс. км в 1320 сек. Такой вывод не только убеждает в том, что скорость распространения света не может быть мгновенной, но и позволяет определить величину скорости; для этого надо разделить величину диаметра орбиты Земли на время запаздывания спутника.

По вычислениям Ремера, скорость распространения света оказалась равной 215 тыс. км / сек.

Последующие, более совершенные методы наблюдения за временем запаздывания спутников Юпитера позволили уточнить эту величину. Скорость распространения света, по современным данным, равна 299 998,9 км/сек. Для практических расчетов принимают скорость света в вакууме равной 300 тыс. км/сек. Огромная величина скорости света ошеломила не только современников Ремера, но и послужила поводом для отрицания корпускулярной теории света.

Если свет представляет собой поток корпускул, то при такой скорости движения энергии их должна быть очень велика. Удары корпускул при падении на тела должны быть ощутимы, т. е. Свет должен оказывать давление!

Следующим после Ремера скорость света измерял Джеймс Брадлей.

Переезжая однажды через р.Темзу, Брадлей обратил внимание на то, что во время движения лодки ветер дул как будто по другому направлению, чем это было на самом деле. Это наблюдение, вероятно, и дало ему основание объяснить аналогичным явлением кажущееся движение неподвижных звезд, называемое аберрацией света.

Свет звезды достигает Земли подобно тому, как капли отвесно падающего дождя падают на окна движущегося вагона. Движение луча света и движение Земли складываются.

Следовательно, чтобы свет от звезды, расположенной перпендикулярно к плоскости движения Земли, попадал в телескоп, его необходимо наклонить на некоторый угол, который зависит не от расстояния до звезды, а только, от скорости света и скорости движения Земли (она была уже в то время известна – 30 км / сек).

Измерив угол, Брадлей нашел, что скорость света равна 308 тыс. км/сек. Измерения Брадлея, как и Ремера, не разрешали спорного вопроса о значении постоянной в законе преломления, так как Брадлей и Ремер определяли скорость сета не в какой-либо среде, а в космическом пространстве.

Идею нового метода измерения скорости света предложил Д. Араго. Осуществили ее двумя различными способами И. Физо и Л. Фуко.

Физо в 1849 г. тщательно измерил расстояние между двумя пунктами. В доном из них он поместил источник света, а в другом – зеркало, от которого свет должен отразиться и вновь вернуться к источнику.

Для того чтобы определить скорость распространения света, надо было очень точно измерить промежуток времени, который необходим свету для прохождения удвоенного пути от источника до зеркала.

Расстояние от источника, находящегося в предместье Парижа Сюрене, до зеркала, установленного на Монмартре, составляло 8633 м. Значит, удвоенное расстояние было 17 266 м. Время, в течении которого свет пройдет это расстояние, если воспользоваться результатами измерения скорости Ремера, будет не более шести стотысячных долей секунды.

Средств для измерения столь малых промежутков времени тогда не было.

Значит, эти измерения следовало исключить из опыта.

В Сюрене была установлена зрительная труба, направленная на Париж. Сбоку через другую трубку поступал свет от источника. От поверхности прозрачной стеклянной пластинки, расположенной в трубке под углом в 45 , свет частично отражался по направлению к Парижу.

В Париже на Монмартре была установлена другая зрительная труба, в которую попадал свет, отраженный прозрачной пластинкой.

Глядя в окуляр, можно было видеть источник света, расположенный за боковой трубкой. Окуляр трубы, установленной на Монмартре, был заменен зеркалом, благодаря чему свет возвращался в Сюрен.

Отраженный зеркалом на Монмартре свет, встречая на обратном пути внутри трубы прозрачную стеклянную пластинку, частично отражался от ее поверхности, а сект, прошедший через пластинку и окуляр трубы, попадал в глаз наблюдателя.

Зрительная труба в Сюрене, кроме боковой трубки, через которую поступал свет, имела прорезь в том месте, где располагался фокус объектива и окуляра. Сквозь прорезь проходило зубчатое колесо, которое приводилось в движение часовым механизмом. Когда колесо было неподвижно и установлено так, что свет проходил между зубцами, то в окуляре трубы был виден свет, отраженный от зеркала на Монмартре.

Когда колесо было приведено в движение, свет исчез. Произошло это в тот момент, когда свет, прошедши между зубцами колеса по направлению к Парижу, встретил на обратном пути зубец, а не промежуток между зубцами.

Для того чтобы свет в окуляре появился вновь, необходимо было удвоить число оборотов колеса.

При дальнейшем увеличении числа оборотов свет вновь исчез.

В опытах Физо зубчатое колесо имело 720 зубцов. Первое исчезновение сета наблюдалось, когда колесо совершало 12,67 оборота в секунду.

Один оборот оно делало за время, равное 1/12,67 сек. При этом промежуток между зубцами сменялся зубцом. Если зубцов 720, то промежутков тоже 720. Следовательно, смена происходит за время, равное 1/12,67*2*720 = 1/18245 сек.

За это время свет проходил удвоенное расстояние от Сюрена до Монмартра.

Следовательно, его скорость была равной 315 тыс. км/сек.

Таким остроумным методом удалось избежать измерений малых промежутков времени и все же определить скорость света.

Сравнительно большое расстояние между источником света и зеркалом не позволяло на пути света поместить какую-либо среду. Физо определял скорость света в воздухе.

Скорость света в других средах была определена Фуко в 1862 г. В опытах Фуко расстояние от источника до зеркала было всего в несколько метров. Это позволило поместить на пути света трубку, заполненную водой.

Фуко установил, что скорость распространения света в различных средах меньше, чем в воздухе. В воде, например, она составляет величину, равную скорости света в воздухе. Полученные результаты разрешили двухвековой спор между корпускулярной и волновой теориями о величине постоянной в законе преломления. Правильное значение в законе преломления дает волновая теория света.

Измерения скорости распространения света в различных средах позволили ввести понятие оптической плотности вещества.

Список использованной литературы

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА

Введение.........................................................................................................3

1. Основные этапы измерения скорости света.......................................4

2. Методы измерения скорости света.......................................................7

2.1 Астрономические измерения.....................................................7

2.2 Времяпролетные эксперименты...............................................9

2.3 Электромагнитные постоянные.............................................12

2.4 Применение резонаторов..........................................................13

2.5 Интерферометрия......................................................................14

3. Прочие эксперименты...........................................................................15

3.1 Распространение света в среде................................................15

3.2 Максимальная скорость света................................................17

Заключение.................................................................................................19

Список используемой литературы.........................................................20

ВВЕДЕНИЕ

Скорость света является одной из фундаментальных величин и играет важную роль в физике. Она характеризует величину скорости распространения электромагнитных волн в и относится к постоянным, которые характеризуют не только отдельные тела и поля, но и геометрию пространства-времени в целом. На сегодняшний день, скорость света в вакууме является предельной скоростью движения частиц и распространения взаимодействий. Численно её значение равно 299 792,458 км/с.

В природе со скоростью света распространяются собственно видимый свет и любое другое электромагнитное излучение и, предположительно, гравитационные волны, если таковые существуют.

Массивные частицы могут иметь сколь угодно большие скорости, но всегда заведомо меньше скорости света. Такими частицами, движущимися с околосветовыми скоростями, являются, например, частицы в ускорителях или космические лучи.

Скорость света не зависит от движения источника и наблюдателя и является инвариантом во всех инерциальных системах отсчёта. Такая инвариантность постулируется в специальной теории относительности и подтверждается множеством экспериментов.

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА

Античные мыслители полагали, что скорость света бесконечна, используя в качестве аргумента аналогию полёта стрелы: её траектория тем прямее, чем больше скорость. Платон был сторонником теории зрительных лучей, «ощупывающих пространство». Демокрит и Аристотель настаивали в свою очередь на истечении атомов предметов, которые проникают в зрительные органы человека. Однако, геометрическая интерпретация распространения света, разработанная в работах Евклида, практически сделала обе точки зрения эквивалентными.

Но уже в Новое время факт бесконечности скорости света ставился под сомнения такими учёными как Галилей и Гук, допускавшими, что скорость света конечна, хотя и очень велика. В это время как Кеплер, Декарт и Ферма продолжали настаивать на её бесконечности.

Декарт выдвинул идею о распространении света с бесконечной скоростью посредством давления в среде. Гук первый предложил волновую теорию света: свет есть волновое движение в однородной среде. Эта теория была развита впоследствии Гюйгенсом в его работах. Ньютон старался не высказываться про скорость света, но явно придерживался корпускулярных воззрений на счёт света.

Первая оценка скорости света была получена в 1676 году Рёмером. Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца затмения спутника Юпитера Ио происходят с запаздыванием в 22 мин. Отсюда было получено первая оценка скорости света – 220 000 км/c. Вскоре Брэдли, в 1728 году, используя явления света, подтвердил конечность скорости света и уточнил её значение до 308 000 км/с.

Впервые измерить скорость света в земных условиях за счёт прохождения светом известного расстояния удалось в 1849 Физо. Свет преодолевал расстояние около 9 км, а его регистрация была осуществлена с помощью «метода прерываний». Значение скорости света, полученное в ходе измерений, составило 312 000 км/с.

Несколько иной подход («метод вращающегося зеркала») был использован Фуко в 1862. Суть метода заключалась в измерении малых промежутков времени с помощью быстро вращающегося зеркала. Измерения дали значение 298 000 ± 500 км/c. Длина базы в опыте Фуко была небольшой. Впоследствии техника данного эксперимента была значительно улучшена, и уже в 1926 в эксперименте Майлькельсона погрешность была снижена до 4 км/c при измеренной величине скорости света 299 796 км/с. База при этом составляла 35 км!

Дальнейшее развитие методов измерения скорости было связано с изобретением квантовых генераторов (лазеров), дающие высоко когерентное излучение, позволившие определять скорость света одновременным измерением длины волны и частоты излучения. К началу 1970-х величина погрешности таких измерения приблизилась к 1 м/c. Так, на XV Генеральной конференции мер и весов в 1975 году скорость света в вакууме была принята равной 299 792 458 м/с с абсолютной погрешностью 1,2 м/с.

Следует отметить, что последующее повышении точности было затруднено из-за точности определения метра. Исходя из этого, на XVII Генеральной конференции мер и весов скорость света в вакууме была зафиксирована, а метр было рекомендовано определять как расстояние, которое проходит свет за 1/299 792 458 секунды.

Таблица 1. Прогресс в измерении скорости света

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА

2.1 Астрономические измерения

Космическое пространство отлично подходит для измерения скорости света из-за больших расстояний между объектами и практически идеального вакуума. Как правило измеряется время, необходимое свету, чтобы преодолеть некое известное расстояние в Солнечной системе, такое как, например, радиус земной орбиты. Исторически, такие измерения были выполнены достаточно аккуратно, и ограничивались лишь тем, насколько точно было известны параметры земной орбиты.

Рёмер (1676). Первое экспериментальное измерение скорости света произошло как следствие решения практической задачи. Рёмер, пользуясь «естественными часами» измерил фактически время прохождения светом диаметра земной орбиты. В качестве таких «часов» были выбраны периодические затмения Ио – одного из четырёх спутников Юпитера, хорошо наблюдаемые с моря и с суши.

Период обращения спутника Ио вокруг Юпитера составляет T0=42,5 часа. Было известно, что период между двумя затмениями спутника Ио изменяется в течение года и имеет достигает максимального отклонения в 1320 с (22 мин) от величины T0. Если бы Земля покоилась относительно Юпитера, то затмения происходили бы через равные промежутки T0. Но, как известно, Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 30 км/с за период в один год. По этой причине промежутки между последовательными затмениями Ио будут разными и отличаться от T0.

Рёмер заметил, что в течение полугода моменты затмений сдвигаются по времени в зависимости от положения Земли на орбите. Когда Земля находится ближе к Юпитеру, моменты затмений наступают ранее, а когда дальше – отстают. Рёмер понял, что свет имеет конечную, а дополнительное расстояние, которое проходит свет, отражённый от Ио, в точности равно диаметру орбиты Земли. Этим и объясняется набегающая разница в 22 минуты.

В то время диаметр орбиты считался примерно 292 000 000 км, разделив эту величину на 1320 с, Рёмер определил скорость света в 222 000 км/с. Если учесть не очень высокую точность метода Рёмера, то полученное значение для скорости света можно считать довольно хорошим результатом для того времени.

По современным данным, период обращения Ио составляет 16,6 мин и диаметр орбиты около 300·106 см, что дало бы величину скорости света с~3·108 км/с.

Брэдли (1725). Брэдли наблюдал звезду в созвездии Дракона и обнаружил, что её положение явно меняется в течение года. Эта звезда, находящаяся в зените, совершает круговое движение с периодом в один год с наблюдаемом на небосклоне радиусом 20,5"". Измерения, произведённые Брэдли, показали, что в результате обращения Земли вокруг Солнца точки кажущегося расположения звёзд на небе должны описывать в общем случае эллипсы. Форма эллипса будет зависеть от угла б между направлением на звезду и направлением скорости движения Земли по орбите v. При определённых условиях эллипс может вырождаться в прямую или окружность.

Явление, которое он наблюдал, называется аберрацией звёзд, и оно не связано с собственным движением звезды. Это явление обусловлено лишь годичным вращением Земли и конечностью скорости света.

В случае окружности, угол, под которым видна кажущаяся траектория звезды с Земли, вычисляется из соотношения:

Отсюда легко определить скорость света c, которая в опытах Брэдли составила 308 000 км/с.

2.2 Времяпролетные эксперименты

Физо (1849). Довольно простой способ измерения скорости света в земных условиях был предложен и впервые реализован физиком Физо. Для этого он предложил использовать установку на основе зубчатого колеса. На Рис. 3 показана принципиальная схема его установки. Луч света направлялся из источника первое зеркало, после чего луч отражался и попадал на второе зеркало. Расстояние, преодолеваемое светом, при этом составляло 8,66 км. Кроме того, между этими зеркалами было помещено зубчатое колесо, работающее по типу стробоскопа, дробящего непрерывный луч на короткие вспышки.

Колесо приводилось в движение, и его скорость непрерывно возрастала. Наступал такой момент, когда световой импульс пройдя через отверстие между зубцами, возвращался после отражения от второго зеркала и задерживался зубцом. В этом случае не было видно ничего. Далее при раскручивании свет снова становился видным и достигал максимума своей интенсивности. Колесо Физо имело 720 зубцов, а максимум интенсивности наблюдался при 25 оборотах в секунду. На основании этого Физо вычислил скорость света. Свет расстояние между зеркалами и обратно за время, пока колесо повернётся от одного зубца до другого, т. е. за 1/720 Ч 1/25 = 1/18000 секунды. Пройденное светом расстояние равно удвоенному расстоянию между зеркалами 17,32 км. Отсюда скорость света равна 17,32 Ч 18000 = 312 000 км/с.

Фуко (1862). Немногим позднее, эстафету измерения скорости света подхватил Жан Фуко, который усовершенствовал метод Физо (Рис. 4).

В этом устройстве зубчатое колесо было заменено на плоское вращающееся зеркало C. Когда зеркало приходит во вращение, то отражённый луч немного смещается (пунктирная линия). Смещения луча фиксируется в окуляр и даёт удвоенное значение угла поворота зеркала за время, пока луч шёл в вогнутое зеркало A и обратно к С. Зная скорость вращения зеркала C и расстояние AC, можно вычислить скорость света.

Замена зубчатого колеса на вращающееся зеркало позволило сократить дистанцию с 8-9 километров до 20 метров. Скорость света в опытах Фуко составила 298 000 ± 500 км/с.

Майкельсон (1926). В течение всей своей жизни американский физик Майкельсон совершенствовал методы измерения скорости света и достиг впечатляющих результатов в этом. Он разработал схему опыта, при которой луч света посылался между двумя вершинами гор, расположенных на расстоянии 35 км друг от друга. В этом эксперименте использовался усовершенствованный метод вращающегося зеркала Фуко. Восьмиугольная вращающаяся призма была изготовлена с высокой точностью и приводилось в движение специальным ротором, позволяющее вращаться до нескольких сот оборотов в секунду. Принцип работы остался тот же, основное изменение включало лишь увеличенный путь светового луча. Путём увеличения частоты вращения зеркала, требовалось добиться наблюдения в окуляре устойчивого изображения (~530 об/с).

В период с 1924 по 1927 Майкельсон проводит серию опытов, увеличивая точность определения расстояния между двумя зеркалами и повышая частоту вращения ротора.

Пример расчёта выглядит следующим образом:

Здесь н и T – частота и период вращения восьмиугольная призмы, ф – время поворота одной грани зеркала, L – используемое расстояние между источником света и наблюдателем (~35 км).

В результате серии экспериментов измеренная скорость света составила 299 796 км/с с рекордной точностью 4 км/с.

2.3 Электромагнитные постоянные

Сразу же после того, как Максвеллом была предложена теория электромагнетизма, появилась возможность вычислить скорость света в вакууме через электрическую постоянную е0 и магнитную постоянную м0, которые связаны соотношением c2=1/(е0м0). Электрическая постоянная е0 может быть определена путём измерения ёмкости конденсатора при известных его размерах, в то время как значение магнитной постоянной м0 обычно принимается за точно известную величину 4рЧ10-7 Гн/м. В 1907 Роза и Дорси использовали этот метод, вычислив скорость света равную 299 710 ± 22 км/с.

2.4 Применение резонаторов

Ещё одним способом определения скорости света является одновременное независимое измерение частоты электромагнитного излучения в вакууме н и его длины волны л. Тогда скорость света с может быть найдена из уравнения с= н л. Для этих целей удобно использовать объёмный резонатор. Основная идея состоит в создании стоячей волны и подсчёта числа полуволн на длине резонатора. Если размеры такого резонатора известны с высокой точностью, они могут быть использованы для определения длины волны исследуемого излучения.

В 1946 году, Эссен и Годон-Смит измерили частоту излучения для различных нормальных мод излучения в микроволновом резонаторе известного размера. Линейный размер резонатора был измерен с точностью ± 0.8 мкм. Так как длина волны каждой из мод определялась геометрией самого устройства, измерение частоты излучения позволило вычислить скорость света. Скорость света, измеренная таким способом, составила 299 792 ± 3 км/с.

2.5 Интерферометрия

Интерферометрия – это метод исследования, основанный на явлении интерференции (сложении) волн. Суть данного подхода в следующем. Когерентный пучок света, сформированный лазером, с известной частотой н делится пространственно на два (или более) пучка тем или иным устройством, а затем сводятся вместе. Складываясь вновь, лучи на экране образуют интерференционную картинку. Расстояние между максимума (или минимума) будет однозначно связано с длиной волны. Определив длину волны л, скорость света находится из соотношения с= н л.

Рассмотрим принцип работы устройства на примере классического интерферометра Майкельсона (Рис. 7), с помощью которого было доказано, что скорость света является константой и не зависит от относительного движения источника света и приёмника.

Интерферометр состоит из двух зеркал M1, M2 полупрозрачного стекла П под углом 45о. Часть света это стекло пропускает, а часть отражает. Разность хода лучей определяется разностью плеч интерферометра L1 и L2:

При этом возникает разность фаз д=2р/л=kД.

Распределение света на экране будет зависеть от разности фаз дельта. Максимумы интерференционной картины будут наблюдаться, когда разность хода целому числу длин волн, и минимумы – когда полуцелому числу.

До момента появления лазеров, источники когерентного радиоизлучения использовались в интерферометрии для определения скорости света. В 1958 году Фрум получил значение скорости света 299 792,5 ± 0.1 км/с, используя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор (ячейку Керра). Частота находилась путём сравнения с высшими гармониками стандартного кварцевого осциллятора. Для измерения длины волны использовался аналогичный интерферометр Майкельсона. Излучение от клистрона с частотой в 24 ГГц разделялось на два пучка в интерферометре. Положение зеркало определялось с точностью 3 мкм, а разность хода обеспечивала определение длины волны с точностью до 3 10-6. Существенные погрешности определения скорости света возникали вследствие дифракционных явлений в интерферометре и наличия эхо, создаваемое неподвижными предметами в лаборатории. Полученные значения скорости света пересчитывались к вакууму исходя из известного показателя преломления воздуха.

Начиная с 1970 года, стало возможно использовать лазеры с высокой стабильностью спектра и атомных часов, что повысило точность измерений до рекордных точностей. Эксперименты продемонстрировали величину скорости света равную 299 792,4574 ± 0,001 км/с. С этого момента стало более разумно переопределить понятие метра, зафиксировав скорость света. Так, под метром сегодня понимается расстояние, как расстояние, проходимое светом за 1/299 792 458 секунды. Таким образом, скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определён гораздо более точно, чем когда-либо ранее.

3. ПРОЧИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

3.1 Распространение света в среде

В 1851 Физо поставил эксперимент по измерению скорости света в среде. Свет пропускался через стоячую и движущуюся воду, и с помощью интерферометра измерялась скорость света.

В этом эксперименте луча света (луч 1 и луч 2) проходили дважды через трубу с водой и создавали в конечном итоге интерференционную картину. Скорость распространения света сначала измеряли в покоящейся воде, а затем в движущейся со скоростью V: по течению (луч 1) и против течения (луч 2). Разность хода лучей измерялась и по ней находилось изменение скоростей распространения света.

Скорость света в неподвижной среде c" связана с показателем преломления среды

Закон сложения скоростей гласит, что скорость света относительно неподвижного наблюдателя должна быть

Однако Физо установил, что скорость V входит в это уравнение как бV, где

Таким образом, в ходе экспериментов Физо было продемонстрировано, что классическое сложение не работает в случае распространения света в среда и должно быть модифицировано. Этот опыт сыграл большую роль при построении специальной теории относительности.

3.2 Максимальная скорость света

В 1932 году учёные Кеннеди и Торндайк, а позже в 1963 Саде провели серию опытов, установив, что значение скорости света одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. В эксперименте рассматривались аннигиляция электронов и позитронов со скоростями от 0 до c/2. В результате испускаются два гамма-кванта, скорость которых может быть измерена.

С хорошей точностью было установлено, что скорость гамма-квантов было одинакова и равнялась c, в независимости от того, какими скоростями обладали электрон и позитрон до аннигиляции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Скорость света играет важную роль в физике, и её значение трудно переоценить. Являясь с одной стороны предельной скоростью распространения взаимодействий и движения частиц, она характеризует пространство-время в целом, являясь инвариантной величиной в любой инерциальной системе отсчёта.

Представления о скорости света менялись на протяжении веков, а её численное значение определялось всё точнее и точнее различными инструментальными методами.

Таким образом, скорость света – это удивительная величина, пленившая своими удивительными свойствами не одно поколение естествоиспытателей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Айкельсон и скорость света. Перевод с английского. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. Гаджаев. Учеб. Пособие для вузов.-М.: Высш. Школа, 1977 Матвеев. - М.: Книга по Требованию, 2012. Rosa E. B. Dorsey, N. E. The Ratio of the Electromagnetic and Electrostatic Units // Bulletin of the Bureau of Standards. - 1907. - 3(6). - P. 433 Essen L. The Velocity of Propagation of Electromagnetic Waves Derived from the Resonant Frequencies of a Cylindrical Cavity Resonator // Proceedings of the Royal Society of London A. - 1950. - 204(1077). - P. 260-277 Sade D. Two-photon coherent sates of the radiation fields // Physical Review Letters. - 1963. - 10. - P. 271 Bradley J. Account of a new discoved Motion of the Fix"d Stars // Philosophical Transactions. - 1729. - 33. - P. 637-660. Cohen I. B. Roemer and the first determination of the velocity of light (1676) // Isis. - 1940. - 31(2). - P. 327 Гиндикин о физиках и математиках. - М.: МЦНМО, 2001 – С.105-108 Бонч-Бруевич света // Физическая энциклопедия / Гл. ред. . - М.: БРЭ, 1994. - Т.4 – С.548-549.