скорость света откуда мы её знаем

Это абсолютный предел скорости и ключ к пониманию Вселенной. Но как ученые смогли понять, насколько быстро может распространяться свет?

Древнегреческий математик Евклид полагал, что зрение возможно благодаря лучам, которые испускают глаза. Герои Александрийский заявлял, что свет должен путешествовать с бесконечной скоростью, поскольку далекие звезды появляются сразу же, как только мы открываем глаза. А в XI столетии математик из Басры Абу Али ал-Хасан ибн ал-Хайсам написал «Книгу оптики», которая по значимости сопоставима с ньютоновскими «Математическими началами натуральной философии». Там он доказывает, что свет движется от предмета к глазу с конечной скоростью, меняющейся в зависимости от свойств среды. Например, сквозь стекло и воду он движется медленнее, чем сквозь воздух.

В XIII столетии Роджер Бэкон использовал мысли ал-Хайсама, чтобы обосновать идею о том, что свет путешествует быстрее звука, с очень высокой, но конечной скоростью. В то время многие также допускали возможность того, что свет летит бесконечно быстро в пустом пространстве, но замедляется в среде.

Еще в XVII веке такие светила науки, как Кеплер и Декарт, утверждали, что свет распространяется бесконечно быстро. Кеплер доказывал, что пустое пространство не оказывает никакого сопротивления его движению.

Рене Декарт основывал свои доводы на наблюдении: во время лунного затмения Солнце, Земля и Луна заметно отклонялись бы от прямой линии, если бы свет распространялся с конечной скоростью. Отсутствие отклонения убеждало его, что свет распространяется мгновенно.

Примерно в ту же эпоху была предпринята первая попытка прямого измерения скорости света. В 1629 году голландский философ Исаак Бекман (Isaac Beeckman) предложил идею эксперимента, в котором вспышка от выстрела пушки отражалась бы зеркалом, расположенным примерно в миле от нее, и измерялась бы разница во времени между выстрелом и приходом отраженного света.

Галилео Галилей предложил эксперимент с зажженным фонарем, с которого сдергивали покрывало. Его ученики проверили эту идею на практике в 1667 году. Не было обнаружено никакой временной задержки, поэтому возобладало мнение, что свет распространяется бесконечно быстро.

С нашим нынешним знанием о скорости света мы понимаем, что лучу требовалось около одной стотысячной доли секунды, чтобы пролететь туда и обратно. Это меньше, чем время реакции наблюдателя, поэтому никто не мог оценить задержку — дистанция в эксперименте была просто слишком мала. Расстояния между планетами, напротив, так велики, что свету требуется несколько минут, чтобы добраться от одной планеты до другой. Всё, что вам нужно, — это какая-то точка отсчета, опираясь на которую, можно было бы измерять интервалы времени между событиями.

Джованни Кассини (Giovanni Cassini) в Париже наблюдал за спутниками Юпитера, которые, двигаясь по орбите, исчезали за планетой, а потом появлялись вновь. Его измерения давали разные результаты, и он объяснял это тем, что свет имеет конечную скорость. Датский астроном Оле Рёмер (Ole Romer), в период с 1672 по 1681 год работавший ассистентом у Кассини, в 1676 году представил на заседании Французской академии наук результаты своих наблюдений. Оказалось, что Ио, ближайшему крупному спутнику Юпитера, требуется меньше времени, чтобы появиться из-за планеты, когда Земля приближается к Юпитеру, чем когда она удаляется от него. Это подтверждало гипотезу Кассини: когда Земля сближается с Юпитером, она проходит часть расстояния, пока свет в пути, и общая дистанция, которую свет должен преодолеть, оказывается меньше.

В итоге он прибывает к месту относительно раньше. Наоборот, когда мы удаляемся, свет летит дальше и прибывает относительно позже. Измерения, сделанные Рёмером, и обнаруженная им корреляция результатов этих измерений с движением Земли стали основанием для того, чтобы признать его автором открытия.

В 1690 году голландский математик Христиан Гюйгенс (Christiaan Huygens) использовал данные Рёмера и получил значение скорости света, равное 220 тыс. км/с, что составляет около 70% от современного значения.

Следующая глава в этой истории также связана с астрономией, а именно с аберрацией света — явлением, парадоксальным образом знакомым каждому, кто гулял под дождем. Допустим, дождь падает вертикально, если вы стоите на месте. Пойдите вперед, и покажется, что капли падают из точки, расположенной впереди, — мы наклоняем зонтик, чтобы остаться сухими. Поверните в обратную сторону — и покажется, что источник капель дождя переместится в противоположном направлении. Представьте, что дождь — это свет, идущий от далекой звезды, а ваше движение — движение Земли сквозь космос. Аберрация света ведет к изменению видимого положения звезды в результате движения Земли.

Этот феномен открыл в 1729 году будущий директор Гринвичской обсерватории, королевский астроном Джеймс Брэдли (James Bradley). Он измерял положение звезды в созвездии Дракона и обнаружил, что ее позиция на небе перемещается сначала к югу, а затем к северу в течение шести месяцев. Смещение было меньше чем на 1/100 градуса, но оно легко обнаруживалось с помощью инструментов XVIII века. Исходя из этого, Брэдли установил, что свет движется в 10,2 тыс. раз быстрее, чем Земля по своей орбите, — со скоростью 295 тыс. км/с. Эта оценка всего лишь на 2% меньше современного значения.

ВНИЗ НА ЗЕМЛЮ

Чтобы измерять высокие скорости, требуется либо иметь дело с большими дис-танциями, как в астрономии, либо работать с очень маленькими интервалами времени. Французский физик Луи Физо (Louis Fizeau) в 1849 году нашел способ делать это на Земле.

Он пропускал свет между зубьями быстро вращающегося колеса. Зеркало в 8 км от него отражало свет назад. Если луч попадал в промежуток между зубьями, он был виден, в противном случае наблюдалась темнота. Изменяя скорость вращения колеса, можно определять, как много времени затрачивает свет на путешествие туда и обратно. Зная дистанцию до зеркала, Физо смог установить скорость света — около 313 тыс. км/с. В 1862 году Леон Фуко (Leon Foucault) использовал сходную идею, применяя вращающиеся зеркала, чтобы определить угол, на который отражался свет. Фуко выяснил, что скорость света равна 299 796 км/с, что очень близко к современному значению — 299 792,46 км/с.

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) опубликовал работу об электромагнитных волнах. Свет он рассматривал как распространяющиеся в пространстве поперечные колебания электрического и магнитного полей, взаимодействующих друг с другом. В вакууме электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно дальние расстояния, испытывая периодические изменения напряженности и индукции. Индукцию и напряженность поля в вакууме связывают электрическая и магнитная постоянные. Ранее использовались названия (соответственно) диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума.

В каком-то смысле Кеплер был прав столетия назад. Если пространство не оказывает сопротивления (в теории Максвелла — если электрическая или магнитная «вязкость» оказывается нулевой), скорость света действительно будет бесконечной. Но в реальности электрическое и магнитное сопротивления не нулевые, и когда их значения подставили в конце века в уравнения Максвелла, они дали число 299 788 км/с — самое точное доступное тогда значение скорости света.

В 1887 году Альберт Майкельсон (Albert Michelson) и Эдвард Морли (Edward Morley) в США попытались измерить скорость Земли относительно мирового эфира — гипотетической среды, которая, как тогда считали, пронизывает всё пространство, — путем измерения разницы в скорости распространения света в двух перпендикулярных направлениях. Они использовали полупрозрачные зеркала, которые отражали часть света на 90°, а часть проходила сквозь них, не изменяя направления. При отражении двух лучей назад по тому же пути и при соединении их вместе расхождение в скорости движения в разных направлениях вдоль светового эфира вело бы к сдвигу двух волн по фазе — несовпадению горбов и впадин. Это давало бы интерференционную картину — появление темных и светлых полос. Установка Майкельсона и Морли, к их удивлению, продемонстрировала, что скорость света универсальна и не зависит от направления. В свою очередь, это привело Альберта Эйнштейна к отрицанию существования эфира (по крайней мере в той форме, в которой его тогда представляли) и к появлению специальной теории относительности в 1905 году. Таким образом, точные измерения скорости света легли в основу глубочайших прозрений о природе пространства и времени.

В частности, теория Эйнштейна подразумевает, что скорость света в вакууме — предел скорости в природе: нет объекта, обладающего массой, который мог бы достичь ее. В то же время любые частицы, не имеющие массы, должны путешествовать в вакууме с этой универсальной скоростью.

Но свет замедляется, проходя сквозь прозрачную среду, такую как вода или стекло. Такие частицы, как электрон, при этом могут перемещаться сквозь среду быстрее, чем свет, но медленнее, чем свет в вакууме. До изобретения лазера независимые измерения частоты и длины волны электромагнитных волн были сделаны в 1950-х годах с помощью «объемных резонаторов», давших значение 299 792 км/с с погрешностью 3 км/с.

Современный вариант этого опыта можно провести, поместив плитку шоколада в микроволновую печь. Уберите вращающуюся подставку — экспериментальный образец должен оставаться на месте и плавиться быстрее в тех точках, где волны наиболее интенсивны. Расстояния между двумя последовательными пятнами — это половина длины волны излучения, используемого в микроволновой печи. Умножьте длину волны на частоту микроволнового излучения (обычно это 2,45 ГГц, но проверьте в инструкции к микроволновке), и получите скорость света, хоть и с меньшей точностью, чем в лаборатории 1950-х годов. Современные эксперименты на больших дистанциях включают в себя отправку радиосигналов на различные космические аппараты. Так скорость света может быть вычислена с точностью до двадцати триллионных.

Современные наследники технологий Майкельсона — Морли используют лазерные лучи, чья частота известна с большой точностью. После того как луч расщепляют на два, а затем соединяют снова, интерференционная картина может быть использована для определения длины волны света. Скорость — произведение длины волны и частоты. В1972 году этот путь позволил увеличить точность измерения скорости до значения лучше четырех миллиардных.

Сегодня продвинутые высокостабильные лазеры и измерения интервалов времени с помощью атомных часов позволили получить самые точные значения — 299 792,458 км/с, неопределенность составляет лишь 1 м/с. Длительность секунды может быть определена очень точно с помощью атомных часов, и погрешность измерения скорости света в основном зависит от точности определения метра. Впоследствии, с 1983 года, была достигнута договоренность зафиксировать значение скорости света на вышеприведенном значении и определить метр как 1/299 792 458 расстояния, которое свет пролетает в вакууме за одну секунду. Сегодня мы уже определяем метр через измеренную скорость света.

Пять ключевых терминов, описывающих сущность света

1.Аберрация света

Оптическое явление, когда звезды как бы сдвигаются со своего истинного положения на небе. Это результат конечности скорости света и движения Земли.

2.Атомные часы

Самый точный способ измерения времени на данный момент. Используется частота микроволновых сигналов, которые излучают электроны при переходе с одного энергетического уровня на другой.

3.Объемный резонатор

Пустотелый проводник, закрытый с обеих сторон, где электромагнитная волна сохраняется, отражаясь от стенок. Подобрав параметры резонатора и длин волн, можно получить бегущую или стоячую волны.

4.Диэлектрическая проницаемость

Электрический заряд порождает электрическое поле. Свойство изолирующей (диэлектрической) среды, препятствующей формированию этого поля, — диэлектрическая проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость вещества определяется сравнением емкостей тестового конденсатора с диэлектриком и того же конденсатора в вакууме.

5.Магнитная проницаемость

Значение того, насколько легко среда наполняется магнитным полем. Скорость света в вакууме обратно пропорциональна квадратному корню из произведения диэлектрической проницаемости вакуума и его магнитной проницаемости.