Kto jako pierwszy określił prędkość światła? Kiedy po raz pierwszy zmierzono prędkość światła? Jak w fizyce mierzy się prędkość światła?

Pomimo tego, że w zwykłym życiu nie musimy obliczać prędkości światła, wiele osób interesuje się tą wielkością od dzieciństwa.

Obserwując błyskawicę podczas burzy, każde dziecko prawdopodobnie próbowało zrozumieć, co jest przyczyną opóźnienia między jej błyskiem a grzmotem. Oczywiście światło i dźwięk mają różną prędkość. Dlaczego to się dzieje? Jaka jest prędkość światła i jak ją zmierzyć?

W nauce prędkość światła to prędkość, z jaką promienie poruszają się w powietrzu lub próżni. Światło to promieniowanie elektromagnetyczne odbierane przez ludzkie oko. Potrafi poruszać się w każdym środowisku, co ma bezpośredni wpływ na jego prędkość.

Próby zmierzenia tej wielkości podejmowano już w starożytności. Naukowcy starożytni wierzyli, że prędkość światła jest nieskończona. Tę samą opinię wyrażali fizycy XVI–XVII w., chociaż już wtedy niektórzy badacze, jak Robert Hooke i Galileo Galilei, zakładali skończoność.

Do istotnego przełomu w badaniach prędkości światła przyczynił się duński astronom Olaf Roemer, który jako pierwszy zwrócił uwagę na opóźnienie zaćmienia księżyca Jowisza Io w porównaniu ze wstępnymi obliczeniami.

Następnie naukowiec określił przybliżoną wartość prędkości na 220 tysięcy metrów na sekundę. Brytyjski astronom James Bradley był w stanie dokładniej obliczyć tę wartość, choć w swoich obliczeniach nieco się pomylił.


Następnie naukowcy z różnych krajów podejmowali próby obliczenia rzeczywistej prędkości światła. Jednak dopiero na początku lat 70. XX wieku, wraz z pojawieniem się laserów i maserów o stabilnej częstotliwości promieniowania, badacze byli w stanie dokonać dokładnych obliczeń, a w 1983 roku za współczesną wartość z korelacją błędu względnego przyjęto podstawa.

Jaka jest prędkość światła własnymi słowami?

Mówiąc najprościej, prędkość światła to czas, w jakim promień słońca przebywa określoną odległość. Zwyczajowo używa się sekundy jako jednostki czasu, a metra jako jednostki odległości. Z punktu widzenia fizyki światło jest wyjątkowym zjawiskiem, które w określonym środowisku ma stałą prędkość.

Załóżmy, że ktoś biegnie z prędkością 25 km/h i próbuje dogonić samochód jadący z prędkością 26 km/h. Okazuje się, że samochód porusza się o 1 km/h szybciej niż biegacz. Ze światłem wszystko jest inne. Niezależnie od prędkości poruszania się samochodu i osoby, wiązka zawsze będzie poruszać się względem nich ze stałą prędkością.

Prędkość światła w dużej mierze zależy od substancji, w której promienie się rozchodzą. W próżni ma stałą wartość, ale w przezroczystym środowisku może mieć różne wskaźniki.

W powietrzu lub wodzie jego wartość jest zawsze mniejsza niż w próżni. Przykładowo w rzekach i oceanach prędkość światła wynosi około 3/4 prędkości w przestrzeni, a w powietrzu przy ciśnieniu 1 atmosfery jest o 2% mniejsza niż w próżni.


Zjawisko to tłumaczy się absorpcją promieni w przezroczystej przestrzeni i ich reemisją przez naładowane cząstki. Efekt ten nazywa się refrakcją i jest aktywnie wykorzystywany w produkcji teleskopów, lornetek i innego sprzętu optycznego.

Jeśli weźmiemy pod uwagę konkretne substancje, to w wodzie destylowanej prędkość światła wynosi 226 tysięcy kilometrów na sekundę, w szkle optycznym - około 196 tysięcy kilometrów na sekundę.

Jaka jest prędkość światła w próżni?

W próżni prędkość światła na sekundę ma stałą wartość 299 792 458 metrów, czyli nieco ponad 299 tysięcy kilometrów. Według współczesnego poglądu jest to coś ostatecznego. Innymi słowy, żadna cząstka, żadne ciało niebieskie nie jest w stanie osiągnąć prędkości, jaką światło rozwija się w przestrzeni kosmicznej.

Nawet jeśli założymy, że Superman pojawi się i poleci z dużą prędkością, promień i tak będzie uciekał od niego z większą prędkością.

Chociaż prędkość światła jest maksymalna osiągalna w przestrzeni próżniowej, uważa się, że istnieją obiekty, które poruszają się szybciej.

Zdolne są do tego np. promienie słoneczne, cienie czy fazy oscylacji fal, ale z jednym zastrzeżeniem – nawet jeśli rozwiną superszybkość, energia i informacja będą przesyłane w kierunku, który nie pokrywa się z kierunkiem ich ruchu.


Jeśli chodzi o przezroczysty ośrodek, na Ziemi istnieją obiekty, które mogą poruszać się szybciej niż światło. Na przykład, jeśli wiązka przechodząca przez szkło zwalnia swoją prędkość, wówczas prędkość ruchu elektronów nie jest ograniczona, więc przechodząc przez powierzchnie szklane mogą poruszać się szybciej niż światło.

Zjawisko to nazywa się efektem Wawilowa-Czerenkowa i najczęściej obserwuje się je w reaktorach jądrowych lub w głębinach oceanów.

Pomiar prędkości światła dokonany przez Römera jest dowodem odkrytym 7 grudnia 1676 roku na to, że prędkość światła jest skończona, to znaczy, że światło nie porusza się z prędkością nieskończoną, jak wcześniej sądzono. Zobaczmy, jak próbowali zmierzyć prędkość światła przed i po Olafie Roemerze.

Prędkość światła (C) nie mierzone w próżni. Ma dokładnie stałą wartość w jednostkach standardowych. Na mocy porozumienia międzynarodowego z 1983 r. metr definiuje się jako odległość, jaką przebywa światło w próżni w czasie 1/299 792 458 sekundy. Prędkość światła wynosi dokładnie 299792458 m/s. Cal definiuje się jako 2,54 centymetra. Dlatego w jednostkach niemetrycznych prędkość światła ma również dokładną wartość. Definicja ta ma sens tylko dlatego, że prędkość światła w próżni jest stała i fakt ten należy potwierdzić doświadczalnie. Konieczne jest także eksperymentalne określenie prędkości światła w ośrodkach takich jak woda i powietrze.

Do XVII wieku wierzono, że światło rozchodzi się natychmiast. Potwierdziły to obserwacje zaćmienia Księżyca. Przy skończonej prędkości światła powinno występować opóźnienie pomiędzy położeniem Ziemi względem Księżyca a położeniem cienia Ziemi na powierzchni Księżyca, ale takiego opóźnienia nie stwierdzono. Wiemy już, że prędkość światła jest zbyt duża, aby zauważyć opóźnienie.

Prędkość światła była przedmiotem spekulacji i dyskusji od czasów starożytnych, ale tylko trzem naukowcom (wszystkim Francuzom) udało się ją zmierzyć za pomocą ziemskich środków. To był bardzo stary i bardzo złożony problem.

Jednak w ciągu poprzednich stuleci filozofowie i naukowcy zgromadzili dość obszerny zasób informacji o właściwościach światła. 300 lat p.n.e., w czasach, gdy Euklides stworzył swoją geometrię, greccy matematycy wiedzieli już dużo o świetle. Wiadomo było, że światło rozchodzi się po linii prostej i że po odbiciu od zwierciadła płaskiego kąt padania wiązki jest równy kątowi odbicia. Starożytni naukowcy doskonale zdawali sobie sprawę ze zjawiska załamania światła. Polega ona na tym, że światło przechodząc z jednego ośrodka, np. powietrza, do ośrodka o innej gęstości, np. wody, ulega załamaniu.

Klaudiusz Ptolemeusz, astronom i matematyk z Aleksandrii, sporządził tablice zmierzonych kątów padania i załamania światła, jednak prawo załamania światła odkrył dopiero w 1621 roku holenderski matematyk z Leiden Willebrord Snellius, który odkrył, że stosunek sinusów kąt padania i kąt załamania są stałe dla dowolnych dwóch ośrodków o różnej gęstości.

Wielu starożytnych filozofów, w tym wielki Arystoteles i rzymski mąż stanu Lucjusz Seneka, zastanawiało się nad przyczynami pojawienia się tęczy. Arystoteles wierzył, że kolory powstają w wyniku odbicia światła od kropelek wody; Seneka również był mniej więcej tego samego zdania, wierząc, że chmury składające się z cząstek wilgoci są rodzajem lustra. Tak czy inaczej, człowiek na przestrzeni swojej historii wykazywał zainteresowanie naturą światła, o czym świadczą docierające do nas mity, legendy, spory filozoficzne i obserwacje naukowe.

Podobnie jak większość starożytnych naukowców (z wyjątkiem Empedoklesa), Arystoteles wierzył, że prędkość światła jest nieskończona. Byłoby zaskakujące, gdyby myślał inaczej. Wszakże tak ogromnej prędkości nie dało się zmierzyć żadną z wówczas istniejących metod czy przyrządów. Ale nawet w późniejszych czasach naukowcy nadal o tym myśleli i sprzeczali się. Około 900 lat temu arabski naukowiec Awicenna wyraził założenie, że choć prędkość światła jest bardzo duża, to musi ona mieć wartość skończoną. Takie też zdanie wyrażał jeden z jego współczesnych, arabski fizyk Alhazen, który jako pierwszy wyjaśnił naturę zmierzchu. Ani jeden, ani drugi oczywiście nie mieli okazji eksperymentalnie potwierdzić swojej opinii.

Eksperyment Galileusza

Takie spory mogą trwać w nieskończoność. Aby rozwiązać ten problem, potrzebne było jasne i niezaprzeczalne doświadczenie. Pierwszym, który wkroczył na tę drogę, był Włoch Galileo Galilei, który uderzał wszechstronnością swojego geniuszu. Zaproponował, aby dwie osoby stojące na szczytach wzgórz oddalonych od siebie o kilka kilometrów wysyłały sygnały za pomocą latarni wyposażonych w okiennice. Ideę tę, wcieloną później w życie przez naukowców Akademii Florenckiej, wyraził w swoim dziele „Rozmowy i dowody matematyczne dotyczące dwóch nowych gałęzi nauki, związanych z mechaniką i ruchem lokalnym” (wydanym w Lejdzie w 1638 r.).

Galileo ma trzech rozmawiających rozmówców. Pierwszy, Sagredo, pyta: „Ale jakiego rodzaju i stopnia prędkości powinien być ten ruch? Czy powinniśmy uważać to za natychmiastowe czy rozłożone w czasie, jak wszystkie inne ruchy? Retrogradant Simplicio natychmiast odpowiada: „Codzienne doświadczenie pokazuje, że światło płomienia wystrzału odciska się na naszym oku bez straty czasu, w przeciwieństwie do dźwięku, który dociera do ucha po dłuższym czasie”. Sagredo nie bez powodu sprzeciwia się temu: „Z tego dobrze znanego doświadczenia nie mogę wyciągnąć innego wniosku niż ten, że dźwięk dociera do naszych uszu w dłuższych odstępach czasu niż światło”.

Tutaj interweniuje Salviati (wyrażając opinię Galileusza): „Niewielkie dowody tych i innych podobnych obserwacji zmusiły mnie do zastanowienia się nad jakimś sposobem, aby bez wątpienia upewnić się, że iluminacja, tj. Rozchodzenie się światła jest naprawdę natychmiastowe. Eksperyment, który wymyśliłem, jest następujący. Każda z dwóch osób trzyma ogień zamknięty w latarni lub czymś podobnym, który można otwierać i zamykać ruchem ręki na oczach towarzysza; stojąc naprzeciw siebie „w odległości kilku łokci, uczestnicy zaczynają ćwiczyć zamykanie i otwieranie ognia na oczach swojego towarzysza w taki sposób, aby gdy tylko jeden zauważy światło drugiego, natychmiast otwiera swoje. Udało mi się je wytworzyć jedynie z niewielkiej odległości - mniej niż jednej mili - dlatego nie miałem pewności, czy pojawienie się przeciwnego światła rzeczywiście nastąpiło nagle. Ale jeśli nie stanie się to nagle, to w każdym razie z niezwykłą szybkością.

Środki, jakimi dysponował wówczas Galileusz, oczywiście nie pozwalały na tak łatwe rozwiązanie tej kwestii i był tego w pełni świadomy. Debata była kontynuowana. Robert Boyle, słynny irlandzki naukowiec, który jako pierwszy podał poprawną definicję pierwiastka chemicznego, uważał, że prędkość światła jest skończona, a inny XVII-wieczny geniusz, Robert Hooke, uważał, że prędkość światła jest zbyt duża, aby można ją było wyznaczyć eksperymentalnie . Z drugiej strony astronom Johannes Kepler i matematyk René Descartes przyjęli pogląd Arystotelesa.

Römer i satelita Jowisza

Pierwsze wyłom w tym murze powstał w roku 1676. Stało się to w pewnym stopniu przez przypadek. Problem teoretyczny, jak to nie raz zdarzało się w historii nauki, został rozwiązany w trakcie realizacji zadania czysto praktycznego. Potrzeby rozwoju handlu i rosnące znaczenie nawigacji skłoniły Francuską Akademię Nauk do rozpoczęcia udoskonalania map geograficznych, co w szczególności wymagało bardziej niezawodnego sposobu określania długości geograficznej. Długość geograficzną określa się w dość prosty sposób - poprzez różnicę czasu w dwóch różnych punktach globu, ale wówczas nie wiedzieli jeszcze, jak wykonać wystarczająco dokładne zegary. Naukowcy zaproponowali wykorzystanie zjawiska niebieskiego obserwowanego codziennie o tej samej godzinie do określenia czasu paryskiego i czasu na pokładzie statku. Na podstawie tego zjawiska nawigator lub geograf mógł ustawić swój zegarek i sprawdzić czas paryski. Takim zjawiskiem, widocznym z każdego miejsca na morzu lub na lądzie, jest zaćmienie jednego z czterech dużych księżyców Jowisza, odkryte przez Galileusza w 1609 roku.

Wśród naukowców pracujących nad tym zagadnieniem był młody duński astronom Ole Roemer, który cztery lata wcześniej został zaproszony przez francuskiego astronoma Jeana Picarda do pracy w nowym paryskim obserwatorium.

Podobnie jak inni astronomowie tamtych czasów, Roemer wiedział, że okres pomiędzy dwoma zaćmieniami najbliższego księżyca Jowisza zmienia się w ciągu roku; obserwacje z tego samego punktu, w odstępie sześciu miesięcy, dają maksymalną różnicę 1320 sekund. Te 1320 sekund było dla astronomów zagadką i nikt nie potrafił znaleźć dla nich zadowalającego wyjaśnienia. Wydawało się, że istnieje jakiś związek pomiędzy okresem obiegu satelity a pozycją Ziemi na orbicie względem Jowisza. I tak Roemer, po dokładnym sprawdzeniu wszystkich tych obserwacji i obliczeń, nieoczekiwanie po prostu rozwiązał zagadkę.

Roemer założył, że 1320 sekund (lub 22 minuty) to czas, jakiego światło potrzebuje na podróż z pozycji Ziemi znajdującej się najbliżej Jowisza na swojej orbicie do pozycji najbardziej oddalonej od Jowisza, gdzie Ziemia kończy się po sześciu miesiącach. Innymi słowy, dodatkowa odległość, jaką przebywa światło odbite od księżyca Jowisza, jest równa średnicy orbity Ziemi (ryc. 1).

Ryż. 1. Schemat rozumowania Roemera.
Okres obiegu satelity najbliższego Jowiszowi wynosi około 42,5 godziny. Dlatego satelita musiał być zasłonięty przez Jowisza (lub opuścić pas zaćmienia) co 42,5 godziny. Jednak w ciągu sześciu miesięcy, kiedy Ziemia oddalała się od Jowisza, zaćmienia obserwowano za każdym razem z coraz większym opóźnieniem w stosunku do przewidywanych dat. Roemer doszedł do wniosku, że światło nie przemieszcza się natychmiastowo, ale ma skończoną prędkość; dlatego dotarcie do Ziemi zajmuje coraz więcej czasu, gdy porusza się ona po orbicie wokół Słońca i oddala się od Jowisza.

W czasach Römera uważano, że średnica orbity Ziemi wynosi około 182 000 000 mil (292 000 000 km). Dzieląc tę ​​odległość przez 1320 sekund, Roemer stwierdził, że prędkość światła wynosi 222 000 km na sekundę.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że uzyskanie wyniku numerycznego z takim błędem (prawie 80 000 km na sekundę) nie jest wielkim osiągnięciem. Ale pomyśl o tym, co osiągnął Roemer. Po raz pierwszy w historii ludzkości udowodniono, że ruch, który uważano za nieskończenie szybki, jest dostępny wiedzy i pomiarom.

Co więcej, już przy pierwszej próbie Roemer uzyskał wartość prawidłowego rzędu. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że naukowcy wciąż pracują nad wyjaśnieniem średnicy orbity Ziemi i czasu zaćmień satelitów Jowisza, to błąd Roemera nie będzie zaskoczeniem. Teraz wiemy, że maksymalne opóźnienie zaćmienia satelity nie wynosi 22 minut, jak sądził Roemer, ale około 16 minut i 36 sekund, a średnica orbity Ziemi wynosi w przybliżeniu nie 292 000 000 km, ale 300 000 000 km. Jeśli wprowadzi się te poprawki do obliczeń Roemera, okaże się, że prędkość światła wynosi 300 000 km na sekundę, a wynik ten jest bliski najdokładniejszej wartości uzyskanej przez naukowców naszych czasów.

Głównym wymaganiem dobrej hipotezy jest to, że można ją wykorzystać do prawidłowego przewidywania. Na podstawie obliczeń prędkości światła Römer był w stanie dokładnie przewidzieć niektóre zaćmienia z kilkumiesięcznym wyprzedzeniem. Na przykład we wrześniu 1676 roku przepowiedział, że w listopadzie satelita Jowisza pojawi się z około dziesięciominutowym opóźnieniem. Maleńki satelita nie zawiódł Roemera i pojawił się w przewidywanym czasie z dokładnością do jednej sekundy. Ale filozofów paryskich nie przekonało nawet to potwierdzenie teorii Roemera. Jednak Izaak Newton oraz wielki holenderski astronom i fizyk Christiaan Huygens wyrazili poparcie dla Duńczyka. A jakiś czas później, w styczniu 1729 roku, angielski astronom James Bradley w nieco inny sposób doszedł do tego samego wniosku co Roemer. Nie było miejsca na wątpliwości. Roemer położył kres panującemu wśród naukowców przekonaniu, że światło rozchodzi się natychmiast, niezależnie od odległości.

Roemer udowodnił, że chociaż prędkość światła jest bardzo duża, jest ona jednak skończona i można ją zmierzyć. Jednak niektórzy naukowcy, składając hołd osiągnięciu Roemera, nadal nie byli w pełni usatysfakcjonowani. Pomiar prędkości światła jego metodą opierał się na obserwacjach astronomicznych i wymagał długiego czasu. Chcieli przeprowadzić pomiary w laboratorium środkami czysto ziemskimi, nie wychodząc poza granice naszej planety, aby wszystkie warunki eksperymentalne były pod kontrolą. Francuski fizyk Marin Marsenne, współczesny i przyjaciel Kartezjusza, zdołał zmierzyć prędkość dźwięku trzydzieści pięć lat temu. Dlaczego nie możemy zrobić tego samego ze światłem?

Pierwszy wymiar ziemskimi środkami

Na rozwiązanie tego problemu trzeba było jednak czekać prawie dwa stulecia. W 1849 roku francuski fizyk Armand Hippolyte Louis Fizeau wymyślił dość prostą metodę. Na ryc. Rysunek 2 przedstawia uproszczony schemat instalacji. Fizeau skierował wiązkę światła ze źródła do lustra W, następnie promień ten został odbity w lustrze A. Jedno lustro zainstalowano w Suresnes, w domu księdza Fizeau, a drugie na Montmartre w Paryżu; odległość między zwierciadłami wynosiła około 8,66 km. Między lustrami A I W umieszczono przekładnię, którą można było obracać przy danej prędkości (zasada stroboskopowa). Zęby obracającego się koła przerywały wiązkę światła, rozbijając ją na impulsy. W ten sposób został wysłany łańcuch krótkich błysków.

Ryż. 2. Instalacja Fizeau.
174 lata po tym, jak Roemer obliczył prędkość światła na podstawie obserwacji zaćmień księżyca Jowisza, Fizeau skonstruował urządzenie do pomiaru prędkości światła w warunkach ziemskich. Bieg C rozbił wiązkę światła na błyski. Fizeau zmierzył czas, w jakim światło przebywa odległość C do lustra A i z powrotem, co stanowi 17,32 km. Wadą tej metody było to, że moment największej jasności światła wyznaczał obserwator naocznie. Takie subiektywne obserwacje nie są wystarczająco dokładne.

Kiedy koło zębate było nieruchome i znajdowało się w pierwotnym położeniu, obserwator mógł widzieć światło ze źródła przez szczelinę między dwoma zębami. Następnie koło wprawiano w ruch z coraz większą prędkością i nadszedł moment, gdy impuls świetlny, przechodząc przez szczelinę między zębami, powrócił, odbity od lustra A i był opóźniony przez ząb. W tym przypadku obserwator nic nie widział. Gdy przekładnia obracała się dalej, światło pojawiło się ponownie, stało się jaśniejsze i w końcu osiągnęło maksymalną intensywność. Przekładnia używana przez Fizeau miała 720 zębów, a światło osiągało maksymalne natężenie przy 25 obrotach na sekundę. Na podstawie tych danych Fizeau obliczył prędkość światła w następujący sposób. Światło pokonuje odległość między zwierciadłami i z powrotem w czasie potrzebnym, aby koło obróciło się z jednej przestrzeni między zębami do drugiej, tj. za 1/25? 1/720, czyli 1/18000 sekundy. Przebyta odległość jest równa dwukrotności odległości między zwierciadłami, tj. 17,32 km. Stąd prędkość światła wynosi 17,32 · 18 000, czyli około 312 000 km na sekundę.

Ulepszenie Foucaulta

Kiedy Fizeau ogłosił wynik swojego pomiaru, naukowcy zwątpili w wiarygodność tej kolosalnej liczby, według której światło dociera do Ziemi ze Słońca w 8 minut i może okrążyć Ziemię w ciągu ósmej części sekundy. Wydawało się niewiarygodne, że człowiek był w stanie zmierzyć tak ogromną prędkość za pomocą tak prymitywnych przyrządów. Światło pokonuje ponad osiem kilometrów między zwierciadłami Fizeau w ciągu 1/36000 sekundy? Niemożliwe, wielu twierdziło. Jednak liczba uzyskana przez Fizeau była bardzo zbliżona do wyniku Roemera. To nie mógł być zwykły zbieg okoliczności.

Trzynaście lat później, gdy sceptycy wciąż mieli wątpliwości i robili ironiczne uwagi, Jean Bernard Leon Foucault, syn paryskiego wydawcy, swego czasu przygotowujący się do zostania lekarzem, nieco inaczej określił prędkość światła. Pracował z Fizeau przez kilka lat i dużo myślał o tym, jak poprawić swoje doświadczenie. Zamiast koła zębatego Foucault zastosował obrotowe lustro.

Ryż. 3. Instalacja Foucaulta.
Po pewnych udoskonaleniach Michelson użył tego urządzenia do określenia prędkości światła. W urządzeniu tym koło zębate (patrz rys. 2) zastąpiono obrotowym, płaskim lustrem C. Jeśli lustro C nieruchomy lub obraca się bardzo powoli, światło odbija się w półprzezroczystym lustrze B w kierunku wskazanym linią ciągłą. Gdy lustro obraca się szybko, odbita wiązka przesuwa się do pozycji wskazanej linią przerywaną. Patrząc przez okular, obserwator mógł zmierzyć przemieszczenie wiązki. Pomiar ten dał mu dwukrotnie większy kąt?, tj. kąt obrotu zwierciadła w czasie, z którego pochodzi wiązka światła C do wklęsłego lustra A i z powrotem do C. Znając prędkość obrotową zwierciadła C, odległość od A zanim C i kąt obrotu lustra C W tym czasie udało się obliczyć prędkość światła.

Foucault cieszył się opinią utalentowanego badacza. W 1855 roku otrzymał Medal Copleya od Królewskiego Towarzystwa Anglii za eksperyment z wahadłem, który dostarczył dowodów na obrót Ziemi wokół własnej osi. Zbudował także pierwszy żyroskop nadający się do praktycznego zastosowania. Zastąpienie koła zębatego obrotowym zwierciadłem w eksperymencie Fizeau (pomysł ten zaproponował już w 1842 r. Dominico Arago, ale nie został zrealizowany) umożliwiło skrócenie drogi pokonywanej przez wiązkę światła z ponad 8 kilometrów do 20 m. zwierciadło (rys. 3) odchylało wiązkę powrotną pod niewielkim kątem, co umożliwiło przeprowadzenie niezbędnych pomiarów w celu obliczenia prędkości światła. Wynik uzyskany przez Foucaulta wyniósł 298 000 km/s, tj. km mniej niż wartość uzyskana przez Fizeau. (W innym eksperymencie Foucault umieścił rurkę z wodą pomiędzy zwierciadłem odbijającym i obracającym się, aby określić prędkość światła w wodzie. Okazało się, że prędkość światła w powietrzu jest większa.)

Dziesięć lat później Marie Alfred Cornu, profesor fizyki eksperymentalnej w École Polytechnique Supérieure w Paryżu, ponownie wróciła do koła zębatego, ale miało ono już 200 zębów. Wynik Cornu był zbliżony do poprzedniego. Uzyskał liczbę 300 000 km na sekundę. Tak było w 1872 roku, kiedy młody Michelson, student ostatniego roku Akademii Marynarki Wojennej w Annapolis, został poproszony na egzaminie z optyki, aby opowiedział o aparacie Foucaulta do pomiaru prędkości światła. Nikomu wówczas nie przyszło do głowy, że w podręcznikach fizyki, z których będą się uczyć przyszłe pokolenia studentów, Michelsonowi zostanie poświęcone znacznie więcej miejsca niż Fizeau czy Foucault.

Wiosną 1879 roku dziennik „New York Times” donosił: „Na horyzoncie naukowym Ameryki pojawiła się nowa, jasna gwiazda. Młodszy porucznik służby marynarki wojennej, absolwent Akademii Marynarki Wojennej w Annapolis, Albert A. Michelson, który nie ma jeszcze dwudziestu siedmiu lat, osiągnął niezwykły sukces w dziedzinie optyki: zmierzył prędkość światła. W artykule redakcyjnym zatytułowanym „Science to the People” dziennik Daily Tribune napisał: „Lokalna gazeta Virginia City, górniczego miasta w odległej Nevadzie, z dumą donosi: „Podporucznik Albert A. Michelson, syn Samuela Michelsona, sklep z artykułami suchymi właściciel naszego miasta, przyciągnął uwagę całego kraju niezwykłym osiągnięciem naukowym: zmierzył prędkość światła”.

Philipa Gibbsa , 1997

Jeśli znajdziesz błąd, zaznacz fragment tekstu i kliknij Ctrl+Enter.

Wyświetleń: 162

1) Prędkość światła po raz pierwszy zmierzył duński naukowiec Roemer w 1676 roku metodą astronomiczną. Zmierzył czas, w którym największy z księżyców Jowisza, Io, znajdował się w cieniu tej ogromnej planety.

Roemer dokonywał pomiarów w momencie, gdy nasza planeta znajdowała się najbliżej Jowisza oraz w momencie, gdy byliśmy astronomicznie nieco dalej od Jowisza. W pierwszym przypadku odstęp między ogniskami wynosił 48 godzin i 28 minut. W drugim przypadku satelita spóźnił się o 22 minuty. Na tej podstawie wywnioskowano, że światło potrzebowało 22 minut, aby przebyć odległość od poprzedniej obserwacji do obecnej obserwacji. W ten sposób udowodniono teorię o skończonej prędkości światła i w przybliżeniu obliczono jego prędkość, która wynosiła około 299 800 km/s.

2) Metoda laboratoryjna pozwala określić prędkość światła z niewielkiej odległości i z dużą dokładnością. Pierwsze eksperymenty laboratoryjne przeprowadził Foucault, a następnie Fizeau.

Naukowcy i ich eksperymenty

Prędkość światła została po raz pierwszy określona w 1676 roku przez O. K. Roemera na podstawie zmiany odstępów czasowych pomiędzy zaćmieniami satelitów Jowisza. Została założona w 1728 roku przez J. Bradleya na podstawie jego obserwacji aberracji światła gwiazd. W 1849 roku A.I.L. Fizeau jako pierwszy zmierzył prędkość światła w czasie, w jakim światło pokonuje dokładnie znaną odległość (podstawę), ponieważ współczynnik załamania powietrza w powietrzu różni się bardzo niewiele od 1, pomiary naziemne dają wartość bardzo zbliżona do prędkości.

Doświadczenie Fizeau

Eksperyment Fizeau to eksperyment mający na celu określenie prędkości światła w poruszających się ośrodkach (ciałach), przeprowadzony w 1851 roku przez Louisa Fizeau. Doświadczenie demonstruje efekt relatywistycznego dodawania prędkości. Imię Fizeau kojarzone jest także z pierwszym eksperymentem dotyczącym laboratoryjnego określenia prędkości światła.

W eksperymencie Fizeau wiązka światła ze źródła światła S, odbita od półprzezroczystego zwierciadła 3, była okresowo przerywana przez obracający się dysk zębaty 2, przechodziła przez podstawę 4-1 (około 8 km) i odbita od zwierciadła 1 wracała na dysk. Kiedy światło padało na ząb, nie docierało do obserwatora, a światło wpadające w szczelinę między zębami można było obserwować przez okular 4. Na podstawie znanych prędkości obrotowych krążka obliczono czas, w jakim światło ustalono podróż po bazie. Fizeau uzyskał wartość c = 313300 km/s.

Doświadczenie Foucaulta

W 1862 r. J. B. L. Foucault wdrożył ideę wyrażoną w 1838 r. przez D. Argo, stosując zamiast tarczy zębatej szybko obracające się zwierciadło (512 obrotów na sekundę). Odbijając się od lustra, wiązka światła była kierowana na podstawę i po powrocie ponownie padała na to samo lustro, które miało czas obrócić się o pewien mały kąt. Mając podstawę o długości zaledwie 20 m, Foucault stwierdził, że prędkość światła wynosi 298 000 500 km/s. Schematy i podstawowe idee metod Fizeau i Foucaulta były wielokrotnie wykorzystywane w kolejnych pracach nad wyznaczaniem prędkości światła.

Wyznaczanie prędkości światła metodą wirującego zwierciadła (metoda Foucaulta): S – źródło światła; R – szybko obracające się lustro; C jest nieruchomym zwierciadłem wklęsłym, którego środek pokrywa się z osią obrotu R (więc światło odbite przez C zawsze spada na R); M – lustro półprzezroczyste; L – soczewka; E – okular; RC – dokładnie zmierzona odległość (podstawa). Linia przerywana pokazuje położenie R, które zmieniało się w czasie, gdy światło pokonuje drogę RC i z powrotem, oraz odwrotną drogę wiązki promieni przez soczewkę L, która zbiera odbitą wiązkę w punkcie S', a nie w punkt S, tak jak miałoby to miejsce w przypadku nieruchomego zwierciadła R. Prędkość światła ustala się mierząc przemieszczenie SS'.

Wartość c = 299796 4 km/s uzyskana przez A. Michelsona w 1926 r. była wówczas najdokładniejsza i została uwzględniona w międzynarodowych tablicach wielkości fizycznych. Światłowód prędkości światła

Pomiary prędkości światła w XIX wieku odegrały ważną rolę w fizyce, dodatkowo potwierdzając falową teorię światła. Porównanie przez Foucaulta prędkości światła o tej samej częstotliwości w powietrzu i wodzie w 1850 r. wykazało, że prędkość w wodzie wynosi u = c/n(n), zgodnie z przewidywaniami teorii fal. Ustalono także powiązanie optyki z teorią elektromagnetyzmu: zmierzona prędkość światła pokrywała się z prędkością fal elektromagnetycznych, obliczoną ze stosunku elektromagnetycznych i elektrostatycznych jednostek ładunku elektrycznego.

Współczesne pomiary prędkości światła wykorzystują unowocześnioną metodę Fizeau, zastępując koło zębate interferencyjnym lub innym modulatorem światła, który całkowicie przerywa lub osłabia wiązkę światła. Odbiornikiem promieniowania jest fotokomórka lub powielacz fotoelektryczny. Zastosowanie lasera jako źródła światła, modulatora ultradźwiękowego o ustabilizowanej częstotliwości oraz zwiększenie dokładności pomiaru długości podstawy pozwoli na zmniejszenie błędów pomiarowych i uzyskanie wartości c = 299792,5 · 0,15 km/s. Oprócz bezpośrednich pomiarów prędkości światła w oparciu o czas przejścia znanej podstawy, powszechnie stosuje się metody pośrednie, dające większą dokładność.

Jak najdokładniejszy pomiar wartości „c” jest niezwykle ważny nie tylko w ujęciu ogólnoteoretycznym i przy wyznaczaniu wartości innych wielkości fizycznych, ale także ze względów praktycznych. Do nich w szczególności. Odnosi się do określania odległości w czasie przejścia sygnałów radiowych lub świetlnych za pomocą radaru, odległości optycznej, odległości świetlnej i innych podobnych pomiarów.

Zakres światła

Dalmierz świetlny to urządzenie geodezyjne, które pozwala mierzyć odległości kilkudziesięciu (czasami setek) kilometrów z dużą dokładnością (do kilku milimetrów). Na przykład dalmierz mierzy odległość od Ziemi do Księżyca z dokładnością do kilku centymetrów.

Dalmierz laserowy to urządzenie służące do pomiaru odległości za pomocą wiązki lasera.

Prędkość światła w próżni wynosi „dokładnie 299 792 458 metrów na sekundę”. Dziś możemy dokładnie nazwać tę liczbę, ponieważ prędkość światła w próżni jest uniwersalną stałą, którą mierzono za pomocą lasera.

Jeśli chodzi o wykorzystanie tego narzędzia w eksperymencie, trudno polemizować z wynikami. Jeśli chodzi o to, dlaczego prędkość światła mierzy się w tak całkowitej liczbie, nie jest to zaskakujące: długość metra określa się za pomocą następującej stałej: „Długość drogi, którą światło przebywa w próżni w przedziale czasu wynoszącym 1 /299 792 458 sekundy.”

Kilkaset lat temu zdecydowano, a przynajmniej założono, że prędkość światła nie ma granic, podczas gdy w rzeczywistości jest po prostu bardzo duża. Gdyby od odpowiedzi zależało, czy zostanie dziewczyną Justina Biebera, współczesna nastolatka odpowiedziałaby na to pytanie słowami: „Prędkość światła jest nieco mniejsza niż najszybsza rzecz we wszechświecie”.

Pierwszym, który poruszył kwestię nieskończoności prędkości światła, był filozof Empedokles w V wieku p.n.e. Sto lat później Arystoteles nie zgodził się ze stwierdzeniem Empedoklesa i spór trwał ponad 2000 lat.

Holenderski naukowiec Issac Backman był pierwszym znanym naukowcem, który w 1629 roku przeprowadził prawdziwy eksperyment mający na celu sprawdzenie, czy światło ma jakąkolwiek prędkość. Żyjąc w stuleciu dalekim od wynalezienia lasera, Backman zdał sobie sprawę, że podstawą eksperymentu powinna być eksplozja dowolnego pochodzenia, dlatego w swoich eksperymentach używał prochu detonującego.

Backman umieścił lustra w różnych odległościach od eksplozji, a później zapytał obserwujących ludzi, czy widzą różnicę w postrzeganiu błysku światła odbitego w każdym z luster. Jak można się domyślić, eksperyment był „niejednoznaczny”. Podobny, bardziej znany eksperyment, tyle że bez użycia eksplozji, mógł przeprowadzić lub przynajmniej wynaleźć Galileo Galilei dopiero dziesięć lat później, w 1638 roku. Galileusz, podobnie jak Backman, podejrzewał, że prędkość światła nie jest nieskończona i w niektórych swoich pracach nawiązywał do kontynuacji eksperymentu, ale z udziałem latarek. W swoim eksperymencie (o ile kiedykolwiek go przeprowadził!) umieścił dwa światła w odległości mili od siebie i próbował sprawdzić, czy występuje opóźnienie. Wynik eksperymentu również nie był jednoznaczny. Jedyne, co Galileusz mógł zasugerować, to to, że jeśli światło nie jest nieskończone, to jest za szybkie, a eksperymenty prowadzone na tak małą skalę są skazane na niepowodzenie.

Trwało to do czasu, gdy duński astronom Olaf Roemer rozpoczął poważne eksperymenty z prędkością światła. Eksperymenty Galileusza na wzgórzu latarniowym w porównaniu z eksperymentami Roemera wyglądały jak projekt naukowy w szkole średniej. Ustalił, że eksperyment należy przeprowadzić w przestrzeni kosmicznej. Tym samym skupił swoją uwagę na obserwacji planet i swoje nowatorskie poglądy przedstawił 22 sierpnia 1676 roku.

W szczególności, badając jeden z księżyców Jowisza, Roemer zauważył, że czas pomiędzy zaćmieniami zmienia się w ciągu roku (w zależności od tego, czy Jowisz zbliża się, czy oddala od Ziemi). Zainteresowany tym Roemer dokładnie zanotował, kiedy w polu widzenia pojawiał się obserwowany przez niego księżyc Io, i porównywał te czasy z czasami, w których normalnie się tego spodziewano. Po pewnym czasie Roemer zauważył, że w miarę jak Ziemia krążąc wokół Słońca oddalała się od Jowisza, czas pojawienia się Io był jeszcze bardziej opóźniony w stosunku do czasu odnotowanego wcześniej w zapisach. Roemer (słusznie) wysunął teorię, że dzieje się tak dlatego, że światło potrzebuje więcej czasu na przebycie dystansu z Ziemi do Jowisza w miarę wzrostu samej odległości.

Niestety jego obliczenia zaginęły w pożarze Kopenhagi w 1728 r., jednak o jego odkryciu mamy wiele informacji z opowieści współczesnych, a także z doniesień innych naukowców, którzy w swoich pracach korzystali z obliczeń Roemera. Istota nich jest taka, że ​​na podstawie wielu obliczeń związanych ze średnicą Ziemi i orbitą Jowisza Roemer doszedł do wniosku, że światło potrzebuje około 22 minut, aby przebyć odległość równą średnicy orbity Ziemi wokół Słońca. Christiaan Huygens przekształca później te obliczenia w bardziej zrozumiałe liczby, pokazując, że Roemer szacuje, że światło przemieszcza się z prędkością około 220 000 kilometrów na sekundę. Liczba ta wciąż znacznie odbiega od współczesnych danych, ale wkrótce do nich wrócimy.

Kiedy koledzy uniwersyteccy Roemera wyrazili zaniepokojenie jego teorią, spokojnie powiedział im, że zaćmienie z 9 listopada 1676 roku nastąpi 10 minut później. Kiedy to się stało, wątpiący byli zdumieni, ponieważ ciało niebieskie potwierdziło jego teorię.

Koledzy Roemera byli niezwykle zaskoczeni jego obliczeniami, ponieważ nawet dziś jego oszacowanie prędkości światła uważa się za zaskakująco dokładne, biorąc pod uwagę, że dokonano go 300 lat przed wynalezieniem laserów i Internetu. Choć 80 000 kilometrów to zbyt wolno, biorąc pod uwagę ówczesny stan nauki i technologii, wynik jest naprawdę imponujący. Co więcej, Roemer opierał się wyłącznie na własnych domysłach.

Co jeszcze bardziej zaskakujące, przyczyną zbyt małej prędkości nie były obliczenia Roemera, ale fakt, że w momencie przeprowadzania obliczeń nie istniały dokładne dane dotyczące orbit Ziemi i Jowisza. Oznacza to, że naukowiec popełnił błąd tylko dlatego, że inni naukowcy nie byli tak mądrzy jak on. Jeśli więc do oryginalnych obliczeń, które wykonał, dołączy się istniejące współczesne dane, obliczenia prędkości światła będą prawidłowe.

Chociaż obliczenia były technicznie błędne, a James Bradley znalazł dokładniejszą definicję prędkości światła w 1729 r., Roemer przeszedł do historii jako pierwszy człowiek, który udowodnił, że prędkość światła można wyznaczyć. Dokonał tego obserwując ruch gigantycznej kuli gazowej znajdującej się w odległości około 780 milionów kilometrów od Ziemi.

Prędkość światła w próżni- wartość bezwzględna prędkości propagacji fal elektromagnetycznych w próżni. W fizyce oznacza się to literą łacińską C.
Prędkość światła w próżni jest podstawową stałą, niezależnie od wyboru inercyjnego układu odniesienia.
Z definicji tak właśnie jest 299 792 458 m/s (wartość przybliżona 300 tys. km/s).
Według szczególnej teorii względności jest maksymalna prędkość propagacji wszelkich oddziaływań fizycznych przekazujących energię i informację.

Jak określono prędkość światła?

Po raz pierwszy określono prędkość światła w r 1676 OK Roemer poprzez zmiany odstępów czasowych pomiędzy zaćmieniami satelitów Jowisza.

W 1728 roku zainstalował ją J. Bradley na podstawie obserwacji aberracji światła gwiazd.

W 1849 A. I. L. Fizeau jako pierwszy zmierzył prędkość światła w czasie, w jakim światło przebywa dokładnie znaną odległość (podstawę); Ponieważ współczynnik załamania światła w powietrzu różni się bardzo niewiele od 1, pomiary naziemne dają wartość bardzo bliską c.
W doświadczeniu Fizeau wiązka światła ze źródła S, odbita od półprzezroczystego zwierciadła N, była okresowo przerywana przez obracający się dysk zębaty W, minęła podstawę MN (około 8 km) i odbita od zwierciadła M wracała do dysk. Kiedy światło padało na ząb, nie docierało do obserwatora, a światło wpadające w szczelinę między zębami można było obserwować przez okular E. Na podstawie znanych prędkości obrotowych krążka obliczono czas, w jakim światło ustalono podróż po bazie. Fizeau uzyskał wartość c = 313300 km/s.

W 1862 roku J. B. L. Foucault zrealizował pomysł wyrażony w 1838 roku przez D. Arago, stosując zamiast tarczy zębatej szybko obracające się (512 r/s) zwierciadło. Odbijając się od lustra, wiązka światła była skierowana w stronę podstawy, a po powrocie ponownie padała na to samo lustro, które miało czas obrócić się o pewien mały kąt. Przy podstawie wynoszącej zaledwie 20 m Foucault stwierdził, że prędkość światło jest równe 29800080 ± 500 km/s. Schematy i główne idee eksperymentów Fizeau i Foucaulta były wielokrotnie wykorzystywane w kolejnych pracach nad definicją s.