Методы определения скорости света

Методы определения  скорости света.

Автор метода

Устройство

Описание метода

Результат

Олаф Кристенсен Рёмер 25 сентября 1644, Орхус — 19 сентября 1710, Копенгаген — датский астроном, первым измеривший скорость света (1676).

В методе датского астронома  Олафа Рёмера (1644—1710), предложенном в 1675 г., были использованы огромные расстояния, с которыми приходится иметь дело астроному. Световым сигналом, посылавшимся из пункта А, служили затмения спутника Юпитера (например, моменты выхода этого спутника из тени Юпитера); наблюдатель на Земле регистрировал момент затмения.

Обращение ближайшего к Юпитеру  спутника происходит за 13/4 дня, т. е. затмения его следуют весьма часто одно за другим. Рёмер установил, что наблюдаются затмения не вполне регулярно. Если, например, начиная с положения Земли З1 (рис. 307), предвычислить моменты ожидаемых затмений и произвести наблюдения при положении Земли примерно через 1/2 года, то момент затмения оказывается запоздавшим против вычисленного почти на 16 мин. Однако те же вычисления дают правильный результат, если вновь провести наблюдения к моменту положения Земли ЗЗ, т. е. еще примерно через 1/2 года. 

Рёмер дал простое объяснение этим явлениям: надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошел добавочное расстояние, равное поперечнику земной орбиты. Это добавочное расстояние по современным измерениям равно 2,99•108 км, добавочное время — 966,4 с, отсюда скорость света с приблизительно равна 300 000 км/с. Сам Рёмер нашел для скорости света с значение 215 000 км/с.

Опыт Физо́ — опыт по определению скорости света в движущихся средах (телах), осуществлённый в 1851 Луи Физо ^{[1] [2]}. Опыт демонстрирует эффект релятивистского сложения скоростей.

В опыте Физо пучок света от источника света S, отраженный полупрозрачным зеркалом 3, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском 2, проходил базу 4-1 (около 8 км) и, отразившись от зеркала 1, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр 4.

По известным скоростям  вращения диска определялось время  прохождения светом базы. Физо получил значение c = 313300 км/с.

Альберт Абрахам Майкельсон (англ. Albert Abraham Michelson; 19 декабря 1852, Стрельно, Пруссия — 9 мая 1931, Пасадина, США) — американский физик, известен изобретением названного его именем интерферометра Майкельсона и прецизионными измерениями скорости света.

Примерно через 20 лет, когда Майкельсон преподавал в Аннаполисе, проблема измерения скорости света приобрела  новое значение. Сформулированная Максвеллом электромагнитная теория света, с одной  стороны, утверждала, что скорость света  должна быть меньше в воде, чем в  воздухе. С другой стороны, из корпускулярной теории Ньютона следовало, что скорость света в воде больше, чем в воздухе. В 60-е и 70-е годы XIX века выяснение  этого противоречия стало наиболее актуальным исследованием в физике. Науке необходим был способ точного  измерения скорости света в любой  среде.

Майкельсон говорил: «Тот факт, что  скорость света непостижима для  человеческого представления и, с другой стороны, существование  принципиальной возможности ее измерения  с чрезвычайной точностью, делают эту  задачу одной из самых увлекательных  проблем, когда-либо стоявших перед  исследователем».

Знание скорости света было важно  также для многих астрономических  проблем навигации. Конгресс выделил  средства известному американскому  астроному Саймону Нью-комбу для работы над этой проблемой. В 1877 году юный младший лейтенант Майкельсон неожиданно придумал метод измерения скорости света с помощью простейшего аппарата. Результаты его работы были опубликованы в журнале «Америкэн Джорнэл оф Сайенс» шесть месяцев спустя, в мае 1878 года.

В то лето тесть Майкельсона дал  ему 2 тысячи долларов на усовершенствование аппарата. Путь луча был увеличен более  чем в 30 раз и доведен до 700 метров, смещение изображения равнялось 13,3 сантиметра вместо двух. Максвелл предсказывал, что скорость света должна равняться 300 тысячам километров в секунду. Результат Майкельсона составлял 299895 ± 30 километров в секунду. Он подтвердил предположение Максвелла с точностью  до одной десятитысячной.

В течение всей своей жизни Майкельсон постоянно возвращался к этому  измерению, пытаясь бесчисленными  способами еще более уточнить результат. В 1926 году, когда ему было семьдесят четыре года, он применил систему, в которой луч света  посылался с вершины горы Вильсон  на вершину Сан-Антонио, то есть на 22 мили и обратно. Вращающееся зеркало  было изготовлено с чрезвычайной точностью, и оно приводилось  в движение специально разработанным  устройством. Майкельсон подтвердил результат  своих предыдущих измерений.

Два года спустя, в 1928 году, в возрасте семидесяти шести лет, Майкельсон получил  средства для измерения скорости света в вакууме. Деньги на это  ему дали обсерватория Маунт-Вильсон, Чикагский университет, фонд Рокфеллера и корпорация Карнеги. Ассистентами Майкельсона были Ф.Г. Пиз и Ф. Пирсон. Сотрудники Береговой геодезической службы Соединенных Штатов разметили и вымерили расстояние для громадного прибора на ранчо Эрвин. Вакуум предполагалось создать в трубе из гофрированного стального проката длиной почти в милю. Труба имела 3 фута в диаметре и доставлялась на место опыта 60-футовыми секциями.

Посредством многократного отражения  свет должен был проходить расстояние в 8 миль, вымеренное с точностью  до одной миллионной. Во всей системе  создавалось разрежение, равное одной  полуторатысячной части земной атмосферы. Выкачивание воздуха продолжалось 48 часов. Все время то одна, то другая часть выходила из строя, вакуум нарушался, и приходилось начинать снова.

Если первый прибор в Аннаполисе стоил 10 долларов, то эта система  обошлась в 50 тысяч долларов. Это  был самый грандиозный проект Майкельсона. В то время как шла  работа, здоровье его начало сдавать. Пирсон произвел непосредственные измерения  под руководством Майкельсона.

В 1958 году в Колумбийском университете (США) был проведён ещё более точный эксперимент с использованием противонаправленных лучей двух мазеров, показавший неизменность частоты от движения Земли с точностью около 10⁻⁹ %. Ещё более точные измерения в 1974 году довели чувствительность до 0,025 м/с.Современные варианты эксперимента Майкельсона используют оптические и криогенные микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света, если бы оно составляло несколько единиц на 10⁻¹⁶.

В 1930 году были произведены сотни  наблюдений. Всего было поставлено почти 3 тысячи опытов. Скорость света  в вакууме оказалась равной в  среднем 299774 километрам в секунду. Научная  статья, написанная Майкельсоном перед  смертью, называлась точно так же, как и его первая работа, напечатанная в 1878 году в Аннаполисе «О методе измерения  скорости света».