Скорость света

Для окончательного упрочения волновой теории необходимо было решить спор XVII в. о том: где больше скорость распространения света, в веществе или вакууме? XVII век не мог решить этого вопроса, тогда знали только астрономический способ определения скорости света, именно метод Ремера. XVIII век обогатился новым, но также астрономическим методом определения скорости света.

Мы имеем в виду аберрацию света, открытую Брадлеем (1693-1762), который сообщил о своём открытии и его объяснении Королевскому обществу в 1728 г. Ввиду важного значения этого открытия в последующей истории оптики мы остановимся здесь на нём подробнее.

Желая обнаружить параллактические смещения звёзд относительно полюса при движении земли, Брадлей укрепил вертикально телескоп и наблюдал в него звезду γ Дракона. Первые наблюдения были сделаны 14 декабря 1725 г., а 28 декабря Брадлей уже заметил смещение к югу, это смещение подтвердилось 1 января.

Рис. 239. Аберрация света

В марте звезда достигла крайнего смещения к югу, затем повернула к северу и в сентябре достигла крайнего северного положения, затем вновь пошла к югу и к концу года закончила цикл своих перемен, совершив колебание с полным размахом 40 . Однако это смещение не было искомым параллактическим, и Брадлей долго не мог найти ему объяснения. После ряда наблюдений над различными звёздами он нашёл правильное объяснение. "Наконец я догадался, что все упомянутые явления происходят от постепенного распространения света и годичного движения земли по своей орбите". Представим себе, что наблюдатель в точке А (рис. 239) наблюдает светило S по направлению A MS, образующему угол ω с направлением движения Земли и наблюдателя. Когда наблюдатель вследствие движения Земли перейдёт из А в С, то свет, идущий из точки М, попадёт не в центр трубы, а его, так сказать, "отнесёт" в сторону, противоположную движению, и наблюдатель должен установить трубу в направлении CMS' по движению, так, как это делает пешеход с зонтиком во время дождя, наклоняя его в сторону движения. ∠ S'MS = α и есть угол аберрации. В Δ АМС: АС = vt, МС = ct, где v - скорость Земли, с - скорость света, α - угол аберрации

α = max = 20"445, когда ω = 90° (случай Брадлея); для таких углов sin α = tg α = α (для α = 20" sin α = tgα = α = 0,0001); следовательно, c = ^v/_0,0001, и так как v = 30 ^км/_сек., то с = 300 000 ^км/_сек..

Такое ясное и непринуждённое истолкование аберрация получает при допущении корпускулярной теории света. Таким образом, астрономические методы определения скорости света скорее говорили в пользу ньютоновской теории, чем гюйгенсовской.

В 1849 г. Физо (1819-1896) впервые произвёл измерение скорости в земных условиях. Метод Физо заключался в периодическом прерывании измеряемого светового импульса (это обстоятельство, как показал впоследствии Релей, имеет существенное значение в понимании того, какая именно скорость измеряется в данном опыте). Луч света, идущий от точечного сильного источника, концентрируется с помощью линз и наклонной полусеребряной пластинки на периферии зубчатого колеса (рис. 240). Пройдя промежуток между зубцами, пучок расходится и, попадая на линзу, установленную так, что её фокус также совпадает с краем колеса, превращается в параллельный пучок. В приёмном пункте этот пучок фокусируется на зеркале и, отразившись, пройдя в обратном направлении весь путь, частично пройдёт через пластину в глаз наблюдателя. При медленном вращении колеса наблюдатель различает чередования зубцов и промежутки, но затем, при убыстрении вращения, впечатление сливается и наблюдатель видит край колеса равномерно серым.

Рис. 240. Опыт Физо

Однако при некоторой скорости вращения освещённость точки колеса, на которой концентрируется свет, исчезает. Очевидно, это случится тогда, когда промежуток времени, затрачиваемый светом на прохождение от колеса до зеркала и обратно, равен промежутку времени, когда промежуток между зубцами сменяется зубцом. При удвоении скорости вращения колеса светящаяся точка вновь появляется. Таким образом, время исчезновения света есть время, в течение которого колесо повернётся на ¹/_2n часть окружности, где n - число зубцов. Если N - число оборотов в секунду, то это время

с другой стороны, это время

откуда

В опыте Физо

Фуко (1819-1868), который одновременно с Физо начал по предложению Парижской академии разработку метода измерения скорости света, разработал метод его определения вращающимся зеркалом. В установке Фуко зеркало mр вращается около вертикальной оси о. Источник света (светящаяся щель S) проектируется линзой аК в S' (рис. 241). Но на пути пучок перехватывается зеркалом тор и отбрасывается на сферическое зеркало Z, радиус которого равен расстоянию oZ. Отразившись от Z, лучи идут по тому же направлению к mр, но теперь зеркало повернётся на угол р'ор = α, в результате чего лучи после отражения кажутся выходящими не из точки S', а из точки L, причём ∠S'OL = 2α.

Рис. 241. Опыт Фуко

Пучок лучей, отразившись от зеркала тор, идёт к источнику S, но на пути он перехватывается полупосеребреной пластинкой tg. Если зеркало mр неподвижно, то изображение щели S получается в S" , где и рассматривается в лупу. Если же зеркало повернулось на угол а, то луч света, идущий по направлению oh, будет направлен пластинкой tq к b', и наблюдатель увидит изображение щели не в S, а в b'. Смещение S"b', очевидно, равно Sb = δ. Если OS = l, oZ = r, то

Если N - число оборотов зеркала в секунду, то за время t, когда свет идёт от зеркала mр к зеркалу Z и обратно, равное зеркало mр повернётся на угол α; следовательно,

откуда получаем

Радиус зеркала Z у Фуко равнялся r = 4 м, число оборотов зеркала mр доходило до N = 800/ Чтобы увеличить r, Фуко ставил Z наклонно к oZ; отразившиеся от Z лучи заставил падать на второе такое же зеркало и т. д., пока свет не падал нормально на пятое зеркало, от которого шёл уже по прежнему пути. Таким путём Фуко увеличивал r до 20 м. При этом смещение δ = 0,7 мм, скорость света оказалась равной с = 298 000 ^км/_сек..

Метод Фуко при всём его несовершенстве (в глаз попадает очень малая доля энергии, отражённая от mр, потому что, пока зеркало mр совершит полный оборот, к нему вернётся только та доля световой энергии, которая относится ко всей упавшей на него энергии, как угловое отверстие зеркала Z относится к окружности, и это, не говоря уже о других, неизбежных в этих методах потерях энергии) дал возможность сравнить скорость света в воде со скоростью в воздухе.

Установка Фуко в этом случае отличается тем, что симметрично сферическому зеркалу Z помещено зеркало У, и таким образом при покоящемся или медленно вращающемся зеркале mр в S" накладываются два изображения S" от Z и Y (рис. 241 нижний). Далее, на пути оY помещается труба, наполненная водой (вогнутая линза L нужна для прежней фокусировки луча на Y, и, таким образом, при покоящемся или медленно вращающемся зеркале mр оба изображения остаются наложенными). При быстром вращении зеркала mр оба изображения смещаются, смещения соответственно равны

Чтобы различить эти смещения, Фуко помещал перед источником S четырёхугольную диафрагму с натянутой посредине нитью, а перед зеркалом Z - диафрагму с горизонтальной щелью, так что в отсутствии зеркала Y и при покоящемся mр в S" видна была светлая горизонтальная полоса с тёмной линией посредине (Ah). Если же имеется зеркало К, то при неподвижном зеркале mр видны в S" три полосы с тёмной линией посредине (картина В) - центральная светлая от Z и Y и две крайних, зеленоватых, ослабленных в воде, изображение от Y. При быстром вращении зеркала mр обе полосы начинают смещаться, но смещение крайних зеленоватых полос больше (δ'>δ) (картина С), а, следовательно, С'<С. При этом отношение ^δ'/_δ оказалось равным приблизительно ⁴/₃. Этот эксперимент Фуко и считался experimentum crucis, нанёсшим окончательный удар корпускулярной теории света.