Скорость света

В книге Галилея «Беседы о двух новых науках», вы­шедшей в 1632 г., читаем следующее.
«Сагредо. Но какого рода и степени быстроты должно быть это движение света? Должны ли мы его считать мгновенным же или совершающимся во времени, как дру­гие движения? Нельзя ли опытом убедиться, каково оно?
Симпличио. Повседневный опыт показывает, что рас­пространение света совершается мгновенно. Если вы наблюдаете с большого расстояния действие артиллерии, то свет от пламени выстрелов без всякой потери времени запечатлевается в нашем глазу в противоположность зву­ку, который доходит до уха через значительный проме­жуток времени.
Сагредо. Ну, синьор Симпличио, из этого общеизвест­ного опыта я не могу вывести никакого другого заклю­чения, кроме того, что звук доходит до нашего слуха че­рез большие промежутки времени, нежели свет; но это нисколько не убеждает меня в том, что распространение света происходит мгновенно и не требует известного, хотя и малого времени…
Сальвиатти. Малая доказательность этих и других по­добных наблюдений однажды заставила меня изобрести метод, с помощью которого можно было бы точно удо­стовериться в том, является ли освещение, т. е. распространение света, действительно мгновенным…»

В книге Галилея «Беседы о двух новых науках», вы­шедшей в 1632 г., читаем следующее.
«Сагредо. Но какого рода и степени быстроты должно быть это движение света? Должны ли мы его считать мгновенным же или совершающимся во времени, как дру­гие движения? Нельзя ли опытом убедиться, каково оно?
Симпличио. Повседневный опыт показывает, что рас­пространение света совершается мгновенно. Если вы наблюдаете с большого расстояния действие артиллерии, то свет от пламени выстрелов без всякой потери времени запечатлевается в нашем глазу в противоположность зву­ку, который доходит до уха через значительный проме­жуток времени.
Сагредо. Ну, синьор Симпличио, из этого общеизвест­ного опыта я не могу вывести никакого другого заклю­чения, кроме того, что звук доходит до нашего слуха че­рез большие промежутки времени, нежели свет; но это нисколько не убеждает меня в том, что распространение света происходит мгновенно и не требует известного, хотя и малого времени…
Сальвиатти. Малая доказательность этих и других по­добных наблюдений однажды заставила меня изобрести метод, с помощью которого можно было бы точно удо­стовериться в том, является ли освещение, т. е. распространение света, действительно мгновенным…»
Дальше Сальвиатти объясняет сущность своего экспе­римента.
Два человека становятся темной ночью в разных кон­цах открытого поля. Оба держат в руках по фонарю с зат­вором. Начинается опыт. Один из участников опыта открывает свой фонарь. Как только другой увидит свет, он мгновенно открывает свой фонарь, свет которого идет к первому наблюдателю. Последнему остается только из­мерить время, протекшее с момента открытия им затвора до того, как луч света фонаря его партнера достиг его. Это будет время, которое необходимо световому лучу для того, чтобы проделать путь между двумя наблюдателями туда и обратно.
В принципе постановка опыта Галилея верна, но сред­ства для его осуществления были очень несовершенны. Описанным способом можно измерить только скорость реакции наблюдателей, но отнюдь не скорость света, ко­торая слишком велика и не может быть измерена таким примитивным путем.
Удивительно, что Галилей не пришел к мысли заменить одного из наблюдателей зеркалом. Тогда достаточно было бы только открыть фонарь и измерить время, в течение
которого световой луч дойдет до зеркала и вернется об­ратно (т. е. время между открытием фонаря и восприятием отраженного света наблюдателем). Таким методом пользо­вался в 1849 г. французский физик Физо, причем световой источник открывался и закрывался посредством равно­мерно вращающегося зубчатого колеса. Так Физо удалось впервые в земных условиях измерить скорость света. Однако уже задолго до этого скорость света была опре­делена на основе астрономических наблюдений.
Первым человеком, измерившим скорость света, стал неожиданно для самого себя датский астроном Олаф Рёмер. Это было в 1675 г. Рёмер составлял таблицу за­тмений лун Юпитера для будущего года. В этой таблице были приведены точные моменты времени, в которые тот или иной из четырех известных тогда спутников Юпите­ра должен был войти в тень от планеты. Вначале все шло хорошо. Спутники исчезали в тени Юпитера точно в те моменты, которые предсказывал Рёмер. Затем, однако, стали появляться неприятности. Затмения стали наблю­даться все позже и позже по сравнению с вычисленными. За   полгода   время   запаздывания   затмения   достигло 1 000 сек. После этого запаздывание стало опять умень­шаться.
 
Определение скоро­сти света Рёмером
 
Рис. 17. Определение скоро­сти света Рёмером.
М и J — положения Земли и Юпи­тера в некоторый момент времени; М\’ и J\’ — y,х положения спустя полгода
 
Эта неудача не давала Рёмеру покоя. Почему таблицы оказались неверными? Вдруг у него мелькнула мысль: «виноват свет, а не вычисления». В тот момент, к которому относилось начало вычислений, Земля и Юпитер были по одну сторону от Солнца. Так как Юпитер делает полный оборот вокруг Солнца за 12 лет, а Земля — за один год, то через полгода расстояние между Землей и Юпитером увеличилось на диаметр земной орбиты, т. е. на 300 млн. км (рис. 17). Запаздывание затмений на 1 000 сек связано с тем, что свет должен пройти эти дополнитель­ные 300 млн. км. Следовательно, скорость света должна составлять 300 тыс. км/сек. Репутация астрономических вычислений была спасена!
Рёмер полностью не осознал, какое великое открытие он сделал. Ведь скорость света в пустоте — это величина, на которой основывается вся теория относительности. Численное значение скорости света позднее неоднократно уточнялось повторными измерениями. В настоящее время скорость света считают равной 299 793 км/сек (ошибка эксперимента ± 0,3 км/сек), но почти во всех вычислени­ях можно для простоты принять ее равной 300 тыс. км/сек. Ошибка при это составит менее 0,1%. Скорость света в вакууме — чрезвычайно важная в физике величина; ее обозначают через с.
Зная величину скорости света, легко понять, насколько несовершенны были те средства, которые Галилей совето­вал использовать для ее измерения. Свет за 1 сек проходит расстояние, в 7,5 раз превышающее длину земного эква­тора. Для прохождения пути в несколько километров в опыте Галилея световому лучу потребуется так мало вре­мени, что последнее невозможно измерить обычными часами. Скорость света в пустоте равна с. Все ли этим сказано? Нет. Внимательный читатель спросит сразу же: «А в какой системе отсчета скорость света равна с? Выше мы ведь видели, что о численном значении скорости мож­но говорить только тогда, когда фиксирована система от­счета, в которой измеряется скорость». Как на этот во­прос отвечают физики, мы увидим ниже.