Viteza luminii (c) nu este măsurată în vid. Are o valoare exactă fixă în unitățile standard. Conform acordului internațional din 1983, contorul este definit ca lungimea traseului parcursă de lumină într-un vid pe o perioadă de 1/299792458 secunde. Viteza luminii este exact 299792458 m / s. Inch este definit ca 2,54 centimetri. Prin urmare, în unitățile nemetrice, viteza luminii are și o valoare exactă. O astfel de definiție are sens numai pentru că viteza luminii într-un vid este o constantă și acest fapt trebuie confirmat experimental. De asemenea, este necesar experimental pentru a determina viteza luminii în mediu, cum ar fi apa și aerul.
Până în secolul al șaptesprezecelea se credea că lumina se răspândise instantaneu. Acest lucru a fost confirmat de observațiile eclipsei lunare. La o viteză finită de lumină ar trebui să existe o întârziere între poziția Pământului față de Lună și poziția umbrei Pământului pe suprafața Lunii, însă o asemenea întârziere nu a fost detectată. Acum știm că viteza luminii este prea mare pentru a observa întârzierea.
Viteza luminii a fost gândită și dezbătută din cele mai vechi timpuri, dar numai trei oameni de știință (toți francezi) au reușit să o măsoare cu ajutorul mijloacelor terestre. A fost o problemă foarte veche și foarte dificilă.
Cu toate acestea, în secolele precedente, filozofii și oamenii de știință au acumulat o cantitate vastă de informații despre proprietățile luminii. Cu 300 de ani înainte de epoca noastră, în acele vremuri când Euclid și-a creat geometria, matematicienii greci știau deja multe despre lumină. Se știa că lumina se propagă rectiliniu și că, atunci când este reflectată de o oglindă plană, unghiul de incidență al fasciculului este egal cu unghiul de reflexie. Oamenii de știință antice erau conștienți de fenomenul de refracție a luminii. Aceasta constă în faptul că lumina, care trece dintr-un mediu, de exemplu aer, într-un mediu de densitate diferită, de exemplu apă, este refractată.
Claudius Ptolemeu, un astronom și matematician din Alexandria, a fost un tabel al unghiurilor măsurate de incidență și refracție, dar legea refractie a fost descoperit abia în 1621 de matematicianul olandez din Leiden Villebrordom Snell, care a constatat că raportul dintre sinusul unghiului de incidență și unghiul de refracție este constantă pentru două medii densitate diferită.
Mulți filozofi antice, inclusiv marele Aristotel și omul de stat, Lucius Seneca, s-au gândit la cauzele curcubeului. Aristotel credea că gama de culori apare ca urmare a reflexiei luminii de picături de apă; Seneca a păstrat aceeași opinie, crezând că norii, compuși din particule de umiditate, sunt un fel de oglindă. Într-o manieră sau alta, o persoană de-a lungul întregii sale istorii a manifestat un interes în natura luminii, după cum o demonstrează miturile, legendele, disputele filosofice și observațiile științifice care au ajuns la noi.
La fel ca majoritatea oamenilor de știință (cu excepția lui Empedocles), Aristotel credea că viteza luminii este infinit de mare. Ar fi surprinzător dacă ar crede altceva. La urma urmei, o astfel de viteză imensă nu a putut fi măsurată de nici una dintre metodele sau dispozitivele existente. Dar, în ultima vreme, oamenii de știință au continuat să speculeze și să argumenteze acest lucru. Acum 900 de ani, omul de știință arab Avicenna a sugerat că, deși viteza luminii este foarte mare, trebuie să fie o cantitate finită. Aceasta a fost opinia unui contemporan al său, fizicianul arab Algazen, care a explicat pentru prima dată natura amurgului. Nici unul, nici celălalt, desigur, nu a avut ocazia să își confirme punctul de vedere experimental.
Experiența Galileo
Galileo este vorbită de trei interlocutori. Primul, Sagredo, întreabă: "Dar ce fel și cât de repede ar trebui să fie această mișcare? Să considerăm că este instantanee sau consumatoare de timp, ca toate celelalte mișcări? ". Simplicio, retrograd, apoi răspunde: „Experiența zilnică arată că lumina de la flacăra de fotografii, fără nici o pierdere de timp este imprimat în ochiul nostru, spre deosebire de sunetul care ajunge la ureche printr-o perioadă semnificativă de timp.“ Sagredo-l pe bună dreptate a obiectat: „Această experiență bine-cunoscut nu pot trage nici o altă concluzie decât că sunetul ajunge la urechile noastre la intervale mai lungi, mai degrabă decât lumina.“
Aici intervine Salviati (exprimă opiniile Galileo), „lipsa de putere de convingere a acestora și a altor observații similare au condus-mi să se gândească la orice modalitate de a se asigura fără erori în această lumină, care este, răspândirea luminii are loc instantaneu. Experiența cu care am venit a fost aceasta. Două persoane dețin fiecare foc, un prizonier într-o lanternă sau ceva de genul asta, care poate deschide și mișcarea strânsă a mâinii în fața unui tovarăș; devenind unul pe altul „, în termen de câteva coturi, participanții încep să practice deschiderea și închiderea foc înaintea unui companion, astfel încât de îndată ce o vede lumina alteia, astfel încât o dată deschis și dumneavoastră ... am reușit să-l facă doar o scurtă distanță - mai puțin decât o mila - de ce nu am putut fi sigur dacă apariția unei lumini opuse se întâmpla într-adevăr dintr-o dată. Dar dacă nu se întâmplă odată, atunci, în orice caz, cu o rapiditate extremă. "
Apoi, disponibil în dispoziția Galileo, desigur, nu a permis atât de ușor pentru a rezolva această problemă, și el este destul de conștient de acest raport. Litigiile au continuat. Robert Boyle, celebrul om de știință irlandez, care a dat primele anumite elemente chimice corecte, a crezut că viteza luminii este finită, iar celălalt un geniu al secolului al XVII-lea, Robert Hooke credea că viteza luminii este prea mare, astfel încât aceasta poate fi determinată experimental. Pe de altă parte, astronomul Johannes Kepler și matematician Rene Descartes, Aristotel punct de vedere a avut loc.
Römer și satelitul lui Jupiter
Prima prăbușire a acestui zid a fost întreruptă în 1676. Sa întâmplat într-un anumit, accidental. Problema teoretică, așa cum se întâmpla adesea în istoria științei, a fost rezolvată în cursul îndeplinirii unei sarcini pur practice. Nevoile extinderii comerțului și importanța crescândă a navigației au determinat Academia Franceză de Științe să lucreze la perfecționarea hărților geografice, care, în special, necesită o metodă mai fiabilă pentru determinarea longitudinii geografice. Longitudinea este definită într-un mod destul de simplu - de diferența de timp în două puncte diferite ale globului, dar la acel moment nu am știut cum să realizăm un ceas suficient de precis. Oamenii de știință au propus să utilizeze pentru determinarea timpului și timpului parian la bordul navei un fenomen ceresc, observat zilnic la aceeași oră. Potrivit acestui fenomen, un navigator sau geograf ar putea să-și pună ceasul și să învețe timpul parizian. Acest fenomen, vizibil din orice loc pe mare sau pe uscat, este eclipsa unuia dintre cele patru mari luni ale lui Jupiter descoperite de Galileo în 1609.
Printre oamenii de știință implicați în această problemă a fost și tânărul astronom danez Ole Roemer, invitat de astronomul francez Jean Picard de patru ani să lucreze în noul observator parizian.
Ca și alți astronomi ai timpului, Römer știa că perioada dintre cele două eclipse ale satelitului cel mai apropiat de Jupiter sa schimbat în cursul anului; observațiile din același punct, separate de o perioadă de șase luni, oferă o diferență maximă de 1320 secunde. Aceste 1320 de secunde au fost un mister pentru astronomi, și nimeni nu a putut găsi o explicație satisfăcătoare pentru ei. Se părea că există o anumită relație între perioada de rotație a satelitului și poziția Pământului pe orbită în raport cu Jupiter. Și Ryomer, după ce a verificat toate aceste observații și calcule, a rezolvat neașteptat ghicitul.
Römer a admis că 1320 secunde (sau 22 minute) - acesta este timpul necesar luminii să călătorească distanța de la cel mai apropiat de poziția Jupiter a Pământului într-o orbită într-o poziție mai îndepărtată de la Jupiter, în cazul în care Pământul este de șase luni. Cu alte cuvinte, distanța suplimentară parcursă de lumina reflectată de satelit Jupiter egal cu diametrul orbitei Pământului (Fig. 1).
Fig. 1. Schema motivării lui Remer.
Perioada de revoluție a satelitului cel mai apropiat de Jupiter este de aproximativ 42,5 ore. Prin urmare, satelitul trebuia să fie acoperit de Jupiter (sau să părăsească eclipsa) la fiecare 42,5 ore. Dar, în termen de șase luni, când Pământul se îndepărtează de Jupiter, eclipsele au fost observate de fiecare dată cu o întârziere din ce în ce mai mare în comparație cu termenii prezenți. Römer a ajuns la concluzia că lumina nu se răspândește instantaneu, dar are o viteză finită; astfel că este nevoie de mai mult timp pentru a ajunge pe Pământ, deoarece se îndepărtează de Jupiter, se deplasează pe o orbită în jurul Soarelui.
La vremea lui Römer, diametrul orbitei Pământului a fost considerat a fi de aproximativ 182,000,000 mile (292,000,000 km). Împărțind această distanță cu 1320 de secunde, Römer a obținut că viteza luminii este de 222 000 km pe secundă.
Mai mult, încă de la prima încercare, Römer a obținut valoarea ordinii corecte. Dacă luăm în considerare faptul că oamenii de știință sunt încă angajate în clarificarea diametrul orbitei și calendarul eclipselor sateliților lui Jupiter Pământului, eroarea Roemer va veni ca o surpriză. Acum știm că întârzierea maximă de 22 de minute nu va eclipsa satelitul așa cum credea Roemer, iar aproximativ 16 minute 36 secunde, iar diametrul orbitei Pamantului nu este aproximativ egală cu 292 de milioane de kilometri și 300 de milioane de km. Dacă face aceste modificări la Roemer calculat, se dovedește că viteza luminii este de 300.000 de kilometri pe secundă, iar rezultatul este aproape de cele mai precise date obținute de oamenii de știință din timpul nostru.
Römer a demonstrat că, deși viteza luminii este foarte mare, este totuși finită și poate fi măsurată. Cu toate acestea, acordând un omagiu realizării lui Römer, unii oameni de știință încă nu erau complet satisfăcuți. Măsurarea vitezei luminii conform metodei sale sa bazat pe observații astronomice și a necesitat o lungă perioadă de timp. Ei, de asemenea, au dorit să efectueze o măsurătoare în laborator prin mijloace pur pământești, fără a depăși limitele planetei noastre, astfel încât toate condițiile experimentului să fie sub control. Fizicianul francez Maren Marsenne, un contemporan și prieten al lui Descartes, a reușit să măsoare viteza sunetului cu treizeci și cinci de ani în urmă. De ce nu puteți face la fel cu lumina?
Prima măsurare prin mijloace terestre
Fig. 2. Instalarea Fizeau.
La 174 de ani după ce Römer a calculat viteza luminii din observațiile eclipselor satelitului lui Jupiter, Fizeau a proiectat un dispozitiv pentru măsurarea vitezei luminii în condiții terestre. Pulverizatorul C a bătut o rază de lumină în blițuri. Fizeau a măsurat timpul pentru care lumina a parcurs distanța de la C la oglindă A și înapoi, egală cu 17,32 km. Slăbiciunea acestei metode a fost că momentul celui mai mare strălucire a luminii a fost determinat de către observator prin ochi. Astfel de observații subiective nu sunt suficient de exacte.
Atunci când roata dințată este nemișcat și se află în poziția inițială, observatorul poate vedea lumina de la sursă prin spațiul liber dintre doi dinți. Apoi, roțile sunt conduse cu creșterea vitezei, și avansarea un timp când un puls de lumină care trece prin spațiul dintre dinți, întorcându-se, reflectată de oglinda și A. întârziat dinte. În acest caz, observatorul nu a văzut nimic. La o rotire suplimentară a accelerației roții dințată a reapărut lumina devine mai luminoasă, iar în cele din urmă a ajuns la o intensitate maximă. Cremalieră, aplicat Fizeau a fost dinții 720, iar intensitatea maximă a luminii a ajuns la 25 de rotații pe secundă. Pe baza acestor date, Fizeau a calculat viteza luminii după cum urmează. Lumina deplasează distanța dintre oglinzi și spate, în timp ce roata se rotește de la un interval între dinți și celălalt, adică pentru 1/25. 1/720. care este de 1/18000 secunde. Distanța parcursă este egală cu dublul distanței dintre oglinzi, adică 17,32 km. Prin urmare, viteza luminii este de 17,32 · 18,000, sau de aproximativ 312,000 km pe secundă.
Îmbunătățirea lui Foucault
Când Fizeau a anunțat rezultatul măsurătorilor lor, oamenii de știință au pus la îndoială autenticitatea acestei cifre colosale, potrivit căreia lumina vine de la Soare pe Pământ în 8 minute și poate zbura în jurul Pământului într-o optime de secundă. Părea incredibil că o persoană putea măsura o viteză atât de mare cu astfel de instrumente primitive. Lumina călătorește mai mult de opt kilometri între oglinzile lui Fizeau în 1 / 36.000 de secunde? Imposibil, mulți au spus. Totuși, cifra obținută de Fizeau a fost foarte apropiată de rezultatul lui Römer. S-ar putea să nu fi fost o coincidență.
Treisprezece ani mai târziu, când scepticii erau încă se îndoiesc si lasa remarcile ironice Léon Foucault, fiul unui editor parizian, unul fiind pregătit pentru a deveni un medic a determinat viteza luminii într-un mod diferit. A lucrat cu Fizeau de mai mulți ani și sa gândit foarte mult la cum să-și îmbunătățească experiența. În locul roții dințate, Foucault folosea o oglindă rotativă.
Foucault sa bucurat de reputația unui cercetător talentat. În 1855 a fost distins cu medalia kopleyskaya British Royal Society pentru experiența sa cu pendulul, care a fost dovada de rotație a Pământului în jurul axei sale. El a construit de asemenea primul giroscop, potrivit pentru utilizare practică. Schimbare în treapta de experiment oglinda rotativ Fizeau (această idee a fost propusă în 1842 de Domenico Arago, dar nu a fost efectuat), a făcut posibilă scurtarea traseului parcurs de fasciculul de lumină, cu mai mult de 8 km la 20 m. Oglinda de rotație (fig. 3) a deviat fasciculul înapoi la un unghi mic, ceea ce a făcut posibilă efectuarea măsurătorilor necesare pentru a calcula viteza luminii. Rezultatul obținut de Foucault a fost de 298.000 km / s, adică cu aproximativ 17.000 km mai mică decât valoarea obținută de Fizeau. (Într-un alt experiment Foucault plasat între oglinzi reflectorizante și țeava rotativă cu apă pentru a determina viteza de propagare a luminii în apă. Sa constatat că viteza luminii în aer mai mult.)
În viitor, s-au luat măsuri suplimentare pentru a îmbunătăți acuratețea. De exemplu, indicele de refracție al luminii în aer a fost luat în considerare. În 1958, Frum a obținut o valoare de 299792,5 km / s folosind un interferometru cu microunde și un obturator electro-optic Kerr. După 1970, au fost posibile măsurători mai precise folosind un laser cu o stabilitate spectrală ridicată și un ceas precis de cesiu. Până atunci, precizia metrului standard a fost mai mare decât acuratețea măsurării vitezei luminii. Așa că viteza luminii a devenit cunoscută cu o precizie de plus sau minus 1 m / s. Acum este mai practic să folosiți viteza luminii pentru determinarea contorului. Standardul de distanță de 1 metru este acum determinat folosind un ceas atomic și un laser.
Tabelul prezintă principalele etape ale măsurării vitezei luminii (Frum și Essen):