Меню

Когда впервые измерили скорость света



Как измерили скорость света

Скорость света c в вакууме не измерена. Она имеет точную фиксированную величину в стандартных единицах. По международному соглашению 1983 года метр определяется как длина пути, проходимая светом в вакууме за время 1/299792458 секунды. Скорость света в точности равна 299792458 м/с. Дюйм определён, как 2.54 сантиметра. Поэтому в неметрических единицах скорость света тоже имеет точное значение. Такое определение имеет смысл только потому, что скорость света в вакууме константа, а этот факт должен быть подтверждён экспериментально (см. Постоянна ли скорость света? ). Также экспериментально нужно определять скорость света в средах, таких как вода и воздух.

До семнадцатого века считалось, что свет распространяется мгновенно. Это подтверждали наблюдения лунного затмения. При конечной скорости света должна быть задержка между положением Земли относительно Луны и положением земной тени на поверхности Луны, но такой задержки не обнаружено. Сейчас мы знаем, что скорость света слишком велика, чтобы заметить задержку. Галилей сомневался в бесконечности скорости света. Он предложил способ её измерения путём закрывания и открывания фонаря расположенного на расстоянии в несколько миль. Неизвестно, пытался ли он провести такой эксперимент, но из-за очень большой скорости света измерение не могло быть удачным.

Первое успешное измерение величины c выполнил Олаф Ремер в 1676 году. Он заметил, что время между затмениями спутников Юпитера меньше, когда расстояние от Земли до Юпитера уменьшается, и больше, когда это расстояние увеличивается. Он понял, что это получается из-за изменения времени, которое нужно свету, чтобы пройти от Юпитера до Земли при изменении расстояния между ними. Он рассчитал, что скорость света равна 214000 км/с. Неточность объясняется тем, что расстояния между планетами в то время не были ещё хорошо определены.

В 1728 году Джеймс Брэдли оценил величину скорости света, наблюдая аберрацию звёзд (изменение видимого положения звезды, вызванное движением Земли вокруг Солнца). Он наблюдал одну из звезд в созвездии Дракона, и обнаружил, что её видимое положение изменяется в течение года. Этот эффект работает для всех звёзд, в отличие от параллакса, который заметнее для ближних звёзд. Аберрация аналогична влиянию движения на угол падения капель дождя. Если вы стоите, и нет ветра, то капли падают вертикально вам на голову. Если вы побежите, то окажется, что дождь идёт под углом и попадает вам в лицо. Брэдли измерил этот угол для света звёзд. Зная скорость движения Земли вокруг Солнца, он определил, что скорость света равна 301000 км/с.

Первое измерение c на Земле выполнил Арман Физо в 1849 году. Он использовал отражение света от зеркала, удалённого на расстояние 8 км. Луч света проходил через зазор между зубчиками быстро вращающегося колеса. Скорость вращения увеличивали, пока отражённый луч не становился виден в следующем зазоре. Рассчитанная величина c получилась равной 315000 км/с. Через год Леон Фуко улучшил этот метод, используя вращающееся зеркало, и получил гораздо более точное значение 298000 км/с. Улучшенный метод был достаточно точен, и с его помощью определили, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе.

После того, как Максвелл опубликовал свою теорию электромагнетизма, стало возможно определять скорость света косвенно по значениям магнитной и электрической проницаемости. Первыми это сделали Вебер и Кольрауш в 1857 году. В 1907 году Роза и Дорси таким же способом получили 299788 км/с. В то время это было самое точное значение.

В дальнейшем дополнительные меры применялись для повышения точности. Например, учитывали коэффициент преломления света в воздухе. В 1958 Фрум получил значение 299792.5 км/с, используя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор Керра. После 1970 года с использованием лазера с высокой стабильностью спектра и точных цезиевых часов стали возможны ещё более точные измерения. До этого времени точность эталона метра была выше, чем точность измерения скорости света. И вот скорость света стала известна с точностью плюс-минус 1 м/с. Теперь стало более практично в определении метра использовать скорость света. Эталон расстояния в 1 метр сейчас определяется с использованием атомных часов и лазера.

В таблице представлены основные этапы измерения скорости света (Фрум и Эссен) :

Дата Авторы Метод км/с Погрешность
1676 Olaus Roemer Спутники Юпитера 214 000
1726 James Bradley Аберрация звёзд 301 000
1849 Armand Fizeau Зубчатое колесо 315 000
1862 Leon Foucault Вращающееся зеркало 298 000 ± 500
1879 Albert Michelson Вращающееся зеркало 299 910 ± 50
1907 Rosa, Dorsay ЭМ константы 299 788 ± 30
1926 Albert Michelson Вращающееся зеркало 299 796 ± 4
1947 Essen, Gorden-Smith Объёмный резонатор 299 792 ± 3
1958 K.D.Froome Радио интерферометр 299 792.5 ± 0.1
1973 Evanson et al Лазерный интерферометр 299 792.4574 ± 0.001
1983 CGPM Принятое значение 299 792.458

Philip Gibbs , 1997

Скорость света в воздухе зависит от показателя преломления (в основном от плотности воздуха).
Для видимого света на уровне моря примерно c / 1.0003 = 299700000 м/с.

Читайте также:  Доктор ватсон где то белом свете попурри

С точностью 0.1% скорость света и в воздухе и в вакууме равна 300 тысяч километров в секунду.

Источник

Кто первым измерил скорость света?

Кто открыл скорость света? Когда это было обнаружено? Как это было рассчитано или выведено?

Ученые пытаются изучать скорость света со времен древних греков. Большинство древнегреческих астрономов считали, среди прочего, что скорость света была практически бесконечной. Однако у них не было возможности проверить это обоснованное предположение.

Тем не менее как правило, считалось само собой разумеющимся, что скорость света была бесконечной, пока астроном Галилей в начале 1600-х годов пытался измерить скорость света, используя дальние фонари с жалюзи, которые помощник открывал в указанное время.Галилей пытался записать, сколько времени требуется свету, чтобы добраться до него через поле, на котором проводился эксперимент.

Его единственным выводом было то, что скорость света была слишком быстрой, чтобы ее можно было измерить с помощью этого эксперимента. (На самом деле, исходя из того, что мы теперь знаем о скорости света, мы можем сказать, что если бы Галилей и его помощник стояли на расстоянии примерно в одну милю, свету понадобилось бы всего пять микросекунд — пять миллионных долей секунды — чтобы добраться от Галилея его помощнику. Это было слишком мало, чтобы быть измеренным с технологией того времени.)

Первое истинное измерение скорости света было сделано в 1676 году человеком по имени Оле Ремер (Rømer). Ремер наблюдал спутник Юпитера Ио, самый внутренний из Галилейских спутников. Как заметил наблюдатель на Земле, Ио внезапно исчезает, когда движется в тень Юпитера, и внезапно появляется, когда выходит из тени Юпитера (обратно в солнечный свет).

Ремер был заинтересован в том, чтобы предсказать, когда Ио появится из тени Юпитера. Его целью было использовать эти наблюдения для более точного определения орбитального периода Ио; он изначально не пытался определить скорость света.

Ремер заметил, что время между затмениями Ио стало короче, когда Земля приблизилась к Юпитеру, и стало длиннее, когда Земля и Юпитер разошлись. Он понял, что расхождения между наблюдаемым и рассчитанным временем появления Ио могут быть объяснены конечной скоростью света. Поскольку в ходе наблюдений Ремера Земля удалялась от Юпитера, отраженному свету от Ио потребовалось бы немного больше времени, чтобы достичь Земли, и это повлияло бы на точное время, в которое наблюдалось появление Ио из тени Юпитера.

Основываясь на этих наблюдениях, Ремер подсчитал, что потребуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Объединение этого значения с более ранними измерениями большой полуоси Земли (орбитального радиуса) дает скорость света около 210 000 километров в секунду. Это примерно на 30% ниже, чем современное значение для скорости света, но, учитывая ее древность, метод измерения и неопределенность 17-го века в точных размерах планетарных орбит, это значение удивительно близко к современному значению в 299 792 458 километров в секунду.

Источник

Как измеряли скорость света и каково ее реальное значение

Еще задолго до того, как ученые измерили скорость света, им пришлось изрядно потрудиться над определением самого понятия «свет». Одним из первых над этим задумался Аристотель, который считал свет некой подвижной субстанцией, распространяющейся в пространстве. Его древнеримский коллега и последователь Лукреций Кар настаивал на атомарной структуре света.

К XVII веку сформировались две основные теории природы света – корпускулярная и волновая. К приверженцам первой относился Ньютон. По его мнению, все источники света излучают мельчайшие частицы. В процессе «полета» они образуют светящиеся линии – лучи. Его оппонент, голландский ученый Христиан Гюйгенс настаивал на том, что свет – это разновидность волнового движения.

В результате многовековых споров ученые пришли к консенсусу: обе теории имеют право на жизнь, а свет – это видимый глазу спектр электромагнитных волн.

Немного истории. Как измеряли скорость света

Большинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.

Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.

Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.

Опыт Майкельсона по определению скорости света

Опыты продолжались с 1924 по 1927 год и состояли из 5 серий наблюдений. Суть эксперимента заключалась в следующем. На горе Вильсон в окрестностях Лос-Анжелеса были установлены источник света, зеркало и вращающаяся восьмигранная призма, а через 35 км на горе Сан-Антонио – отражающее зеркало. Вначале свет через линзу и щель попадал на вращающуюся с помощью высокоскоростного ротора (со скоростью 528 об/сек.) призму.

Читайте также:  Женское общество свет радушно принимали его потому что он был жених

Участники опытов могли регулировать частоту вращения таким образом, чтобы изображение источника света было четко видно в окуляре. Поскольку расстояние между вершинами и частота вращения были известны, Майкельсон определил величину скорости света – 299796 км/сек.

Окончательно со скоростью света ученые определились во второй половине XX века, когда были созданы мазеры и лазеры, отличающиеся высочайшей стабильностью частоты излучения. К началу 70-х погрешность в измерениях снизилась до 1 км/сек. В результате по рекомендации XV Генеральной конференции по мерам и весам, состоявшейся в 1975 году, было решено считать, что скоростью света в вакууме отныне равна 299792,458 км/сек.

Достижима ли для нас скорость света?

Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?

Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.

Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.

По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации. Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.

Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.

Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.

Источник

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

Как эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света постоянна.

Вы когда-нибудь задумывались о том, как можно измерить скорость света? Вопрос уходит корнями глубоко в историю: гипотезы в свое время выдвигали Галилей, Гук и Декарт. Но только во второй половине XIX – начале XX веков исследования в области измерения скорости света получили активное развитие: новые методы, множество экспериментов и, наконец, второй постулат специальной теории относительности.

Рассматривая вопрос измерения скорости света, невозможно обойти стороной фигуру Альберта Абрахама Майкельсона. Американский физик, наиболее известный по эксперименту Майкельсона-Морли, внес более значимый вклад в физику, чем многие полагают. Он не был таким известным теоретиком, как Альберт Эйнштейн или Макс Планк, он был великим экспериментатором.

Результаты его экспериментов по точному измерению скорости света оказали влияние на принятый и известный сегодня стандарт, где «с» – скорость света – равна 299792,458 км/с. А если принять во внимание опыт, который опроверг идею существования эфира и привел к появлению теории относительности Эйнштейна, Майкельсона можно по праву назвать очень влиятельным ученым.

Считайте, он был Тихо Браге своего поколения. Браге – датский астроном и алхимик, дотошный экспериментатор и наблюдатель эпохи Возрождения. Без него Иоганн Кеплер, возможно, не был бы так известен, как сегодня. Ведь при формулировке своих законов немецкий ученый использовал именно заметки Браге.

Но вернемся к Майкельсону, которому удалось измерить постоянную скорость распространения света не только в одной системе отсчета, а сразу во всех. А это уже совсем разные вещи.

Метод вращающегося зеркала

Все 5 анимаций, которые вы видите, имеют одну общую черту: каждая из них была записана с использованием той же технологии, которую использовал Майкельсон для измерения скорости света.

Все они используют вращающееся зеркало, чтобы точно направлять свет на ряды крошечных фотопластин. Причина, по которой камера способна отследить снаряд рельсовой пушки (на картинке ниже), движущийся со скоростью около 3 км/с или 1/100000 скорости света, заключается в том, что зеркало перемещается по раме вместе со снарядом. Благодаря такому быстрому вращению ученые смогли зафиксировать все представленные изображения.

gfycat.com

Но метод с зеркалом предложил отнюдь не Майкельсон, а французский физик и механик Леон Фуко, который впервые измерил скорость света с помощью вращающегося со скоростью 512 оборотов в секунду зеркального устройства.

В его эксперименте свет отражался от вращающегося зеркала в неподвижное зеркало с большим радиусом кривизны, которое отражало свет обратно во вращающееся.

Читайте также:  Как пишется артикль the с частями света

docs.google.com

Ниже представлена двухмерная схема аппарата Фуко.

На верхней схеме изображено, как свет проходит через устройство, когда зеркало не вращается (черные линии). Когда зеркало приходит в движение, свет распространяется наружу (красные и зеленые линии). В трехмерном изображении это похоже на яркое кольцо.

Измеряя, как далеко находились края светового кольца M’ от источника света, когда зеркало не вращалось (M), и применяя простые математические формулы, Фуко смог рассчитать скорость света, которая была в пределах 0,6% от современного значения. А ведь это было около 250 лет назад!

Майкельсон усовершенствовал эту технику, увеличив расстояние между вращающимся (R) и отражающим зеркалами (от R до M) с 20 метров до 600. В более точных экспериментах Майкельсона расстояние от R до M составляло 35 километров! На 600 метрах полученное число находилось в пределах 0,05% от принятого сегодня значения. Таким образом, на большем расстоянии итоговые показатели были улучшены в десятки раз.

Используя те же основные элементы современных сверхскоростных камер, которые могут захватывать свет, движущийся через определенную среду, Майкельсон измерил скорость, с которой свет распространяется между двумя точками, которые находятся в состоянии покоя относительно друг друга.

Поскольку для разных испытаний использовались разные источники света, а результаты практически не менялись, Майкельсон показал, что свет всех типов проходит через систему отсчета с постоянной скоростью. Особенно когда источник и детектор находятся в покое относительно друг друга. Следовательно, ученый смог измерить постоянную скорость распространения всех типов света через универсальную систему отсчета.

Эксперимент Майкельсона-Морли

В 1887 году два американских физика решили доказать существование светоносного эфира. Его пытались обнаружить ученые всего мира, поскольку Джеймс Максвелл сумел подробно обосновать эту концепцию в своих работах. Причем Максвелл не разрабатывал конкретные модели эфира и не опирался на его свойства, кроме способности поддерживать перемещения электромагнитных колебаний в пространстве.

Используя приведенное выше уравнение и его экспериментально определенные значения диэлектрической проницаемости и проводимости, Максвелл рассчитал скорость света в пределах 5% от современного значения. Поскольку ему удалось это сделать, ученый предположил, что свет был волной и для его распространения требовалась среда. Эта среда была названа «эфиром», который и пытались обнаружить Майкельсон и Морли в своем эксперименте.

Предполагалось, что в случае существования эфира время, которое потребовалось бы свету, чтобы пройти через два зеркала-отражателя интерферометра, используемого Майкельсоном и Морли, было бы другим и возвращалось бы «в противофазе». Оно бы также менялось в течение года, потому что Земля, вращаясь по орбите, изменила бы свое положение относительно эфира (как на изображении справа).

gifer.com/

То есть «эфирный ветер» должен был обдувать планету и смещать показатели интерферометра полгода в одну сторону, полгода – в другую. Но через год Майкельсон и Морли не обнаружили никаких интерференционных изменений! Это значило, что свет всегда имел одинаковое время пути при прохождении через два зеркала аппарата и всегда возвращался по фазе в один и тот же момент.

На картинках выше – интерференционные образцы, созданные интерферометром.

Эксперимент подтвердил, что раз нет эфирного ветра, то нет и самого эфира, а значит, свет не является волной в ее классическом понимании.

Так, эксперимент Майкельсона-Морли, который стал подтверждением гипотезы о том, что свет с постоянной скоростью проходит через все системы отсчета, привел к появлению теории относительности. И несмотря на то, что Эйнштейн утверждал, что, разрабатывая теорию, не учитывал результаты экспериментальных исследований, нельзя отрицать, что опыт американских ученых не способствовал более быстрому принятию радикальной теории научным сообществом.

Выводы

Насчет значимости вклада Альберта Майкельсона в современную физику не должно быть никаких сомнений. Во-первых, он точно измерил скорость света с помощью своих экспериментов, усовершенствовав метод Фуко; во-вторых, разработал интерферометр, который использовался для тестов эфира и предоставил доказательства для второго постулата Эйнштейна.

Несмотря на распространенные убеждения, эксперимент Майкельсона-Морли не был направлен на измерение скорости света. Благодаря использованию светоделителя опыт позволил американским физикам устроить «гонку» между двумя одинаково быстрыми «машинами». Единственный результат, который имел значение, заключался во времени начала и конца светового пути, а не в том, насколько быстрым он был. Поскольку расщепленные полупрозрачным зеркалом световые лучи возвращались в один и тот же момент, их скорости должны были быть одинаковыми.

И хотя опыт Майкельсона-Морли стал экспериментальным доказательством второго постулата специальной теории относительности, его результаты можно объяснить, рассматривая относительную скорость света. Предполагая, что движущийся источник может создать более высокую скорость распространения света, дополнительная скорость отменяет эффект движения зеркал в устройствах. Предположение об изменении скорости распространения света из-за движения источника также устраняет необходимость сокращать длину, чтобы объяснить результаты эксперимента Майкельсона-Морли.

На картинке выше можно увидеть, что свет проходит через воздух намного быстрее, чем через смолу. Это подтверждает мысль о том, что коэффициент преломления различных веществ влияет на скорость распространения света.

Источник