2. Измерение скорости света физо
Однако разрешения этой проблемы пришлось ждать почти два столетия. В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо (1819-1896) придумал довольно простой способ. На рис. 2 показана упрощенная схема его установки. Физо направлял из источника световой луч в зеркало В, затем этот луч отражался на зеркало А. Одно зеркало было установлено в Сюрен, в доме отца Физо, а другое – на Монмартре в Париже; расстояние между зеркалами составляло приблизительно 8,66 км. Между зеркалами А и В помещалось зубчатое колесо, которое можно было вращать с заданной скоростью (принцип стробоскопа). Зубцы вращавшегося колеса прерывали световой луч, разбивая его на импульсы. Таким образом посылалась цепь коротких вспышек.
Рис. 2. Установка Физо.
Через 174 года после того, как Рёмер вычислил скорость света из наблюдений затмений спутника Юпитера Ио, Физо сконструировал устройство для измерения скорости света в земных условиях. Зубчатое колесо C разбивало луч света на вспышки. Физо измерил время, за которое свет проходил расстояние от C до зеркала A и обратно, равное 17,32 км. Слабостью этого метода было то, что момент наибольшей яркости света определялся наблюдателем на глаз. Такие субъективные наблюдения недостаточно точны.
Когда зубчатое колесо было неподвижно и находилось в первоначальном положении, наблюдатель мог видеть свет от источника сквозь промежуток между двумя зубцами. Затем колесо приводилось в движение со все возрастающей скоростью, и наступал такой момент, когда световой импульс, пройдя через промежуток между зубцами, возвращался, отразившись от зеркала A, и задерживался зубцом. В этом случае наблюдатель ничего не видел. При дальнейшем ускорении вращения зубчатого колеса свет снова появлялся, становился все ярче и, наконец, достигал максимальной интенсивности. На зубчатом колесе, использованном Физо, было 720 зубцов, а максимальной интенсивности свет достигал при 25 оборотах в секунду. На основании этих данных Физо следующим образом вычислил скорость света. Свет проходит расстояние между зеркалами и обратно за то время, пока колесо повернется от одного промежутка между зубцами до другого, т.е. за 1/25 × 1/720, что составляет 1/18000 секунды. Пройденное расстояние равно удвоенному расстоянию между зеркалами, т.е. 17,32 км. Отсюда скорость света равна 17,32 · 18 000, или около 312 000 км в секунду.
ЛЕКЦИЯ № 7. Принцип относительности. Теория относительности А.Эйнштейна.
Принцип относительности. Впервые мы с ним сталкиваемся уже в 4 апории Зенона Элейского “Стадий”, когда два тела движущихся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями, за равные промежутки времени проходят относительно неподвижного наблюдателя половину пути, а относительно друг друга – целый путь. В 4 в. до н.э. Зенон не смог обосновать принцип относительности движения и вынужден был объявить движение не существующим с точки зрения разума.
В 17 в. принцип относительности движения находит свое развитие в работах Р. Декарта. Он писал, что если одна частица движется к другой, то с таким же правом можно считать, что вторая движется к первой. На этом основании Декарт заключил, что состояние движения ничем не отличается от состояния покоя. Говорить о движении вообще, бессмысленно. Можно лишь говорить о движении относительно какого-то выбранного тела, точки отсчета. Это тело помещается в основании системы отсчета, Декартовой системы координат.
Следующим этапом развития принципа относительности движения является представление об инерциальной системе, выдвинутое Г. Галилеем и И. Ньютоном. Процессы движения в классической механики происходят в особых привилегированных системах, инерциальных системах. Инерциальная система – это система покоящаяся или движущаяся равномерно прямолинейно и сколь угодно долго. Так, в первом законе И. Ньютона сказано, что если на тело не действует ни какая сила или действие сил скомпенсировано, то тогда, если телу сообщить импульс, то оно будет двигаться равномерно, прямолинейно и сколь угодно долго. Принцип относительности движения в данном случае означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формулой, синхронизированные часы идут одинаково, а два разных наблюдателя, находящихся в инерциальных системах, не заметят никаких изменений.
Инерциальная система координат.
Принцип относительности Г. Галилея. Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой. Если же две системы координат движутся друг относительно друга неравномерно, то законы механики не могут быть справедливы в обеих системах одновременно. Системы координат, в которых законы механики справедливы, называются инерциальными системами. Однако вопрос о том существует ли вообще инерциальная система еще не решен. Но если есть хотя бы одна такая система, то их имеется бесконечное множество. Каждая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно первоначальной, является тоже инерциальной системой.
В первой четверти 19 века произошла вторая в истории естествознания научная революция, приведшая к полной ломке классической механистической картины мира. Своим свершением она была обязана выдающемуся немецкому физику А.Эйнштейну.
Итак, какие же идеи и научные положения господствовали в науке в конце 19 – начале 20 века? Господствовали идеи электродинамики Максвелла и Лоренца, опирающиеся на представления о независимом существовании таких фундаментальных сущностей как пространство, время, материя. Пространство рассматривалось как плоское, евклидово, бесконечное. Материя – состоящей из нейтральных атомов. Были известны два фундаментальных типа взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. Абсолютной системой отсчета считался мировой эфир, заполняющий весь космос. Свет рассматривался как колебания эфира. Законы, открытые для макроскопических тел и процессов, экстраполировались на всю шкалу масштабов – от космологических, до масштабов микромира.
Однако уже в конце 19 века физики задались вопросом, существует ли мировой эфир? В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард Морли предположили, что если мировой эфир существует, тогда при движении Земли вокруг Солнца сквозь эфир должен возникать “эфирный ветер”. Если свет – форма движения мирового эфира, то скорость луча света должна зависеть от скорости движения Земли и складываться из собственной скорости света (с= 300.000 км\с) и скорости движения Земли (v = 30 км\с) при их встречном движении. Однако в опытах Майкельсона – Морли скорость света оставалась величиной постоянной.