5.4. Элементы теории относительности.

1.5.4. Скорость света и ее опытное определение.

Задача определения скорости света принадлежит к числу важнейших проблем оптики и физики вообще.

Решение этой задачи имело принципиальное и практическое значение. Установление того факта, что скорость распространения света конечна, и измерение этой скорости сделали более конкретными и ясными трудности, стоящие перед различными оптическими теориями.

Сравнительное измерение скорости света в пустоте и различных средах послужило в свое время в качестве экспериментального сравнения волновой и корпускулярной теорий света.

Сравнение скорости света в пустоте с константой «с» (скоростью распространения электромагнитных волн) в электромагнитной теории Максвелла, сыграло важную роль в обосновании электромагнитной теории света.

Наконец, вопрос о влиянии движения системы на скорость распространения света и вся обширная совокупность связанных с ним экспериментальных и теоретических проблем привели к пересмотру наших представлений о пространстве и времени – специальной теории относительности – одного из самых значительных обобщений теоретической физики, имеющего исключительное значение для развития физики.

Основная трудность, с которой сталкивается экспериментатор при определении скорости света, связана с огромным значением этой величины. Поэтому первое определение скорости света предпринятое Г.Галилеем не принесло успеха.

Идея Галилея заключалась в следующем. Пусть на некотором расстоянии находятся два наблюдателя с фонарями с открывающимися крышками. Пусть первый наблюдатель открывает фонарь и включает часы. Второй наблюдатель после прихода света мгновенно открывает крышку своего фонаря и первый наблюдатель, увидев свет, останавливает часы. И тогда . Однако, экспериментально осуществить эту идею не удалось.

Первым удачным опытом по определению скорости света, давшим надежную цифру, близкую к современному значению, было определение датского астронома Ремера в 1676 году. Метод Ремера основан на астрономических наблюдениях за спутником Юпитера ИО. Ремер наблюдал, что промежуток времени между двумя последовательными затмениями спутника оказываются несколько большими, когда Земля удаляется от Юпитера и несколько меньшими, когда Земля приближается к Юпитеру. Ремер объяснил это тем, что свету требуется дополнительное время на прохождение расстояния между Юпитером и Землей. При удалении Земли это время надо прибавлять к истинному периоду обращения, а при приближении вычитать. В ходе своих наблюдений Ремер получил значение скорости света равное .

В 1849 году Физо реализовал идею Г.Галилея в которой автоматически регистрировался момент пуска и возвращения сигнала, осуществляемый путем регулярного прерывания светового потока (метод прерываний).

Свет от источника света проходит между зубьями колеса отражается от зеркала расположенного на расстоянии от колеса и попадает в глаз наблюдателя. Если колесо вращается, и при том с такой угловой скоростью, что на место просвета станет зуб, то наблюдатель света видеть не будет (первое затмение). Если ширина зуба и просвета одинаковы, то при удвоенной скорости вращения наблюдатель будет наблюдать максимум интенсивности света. При утроенной скорости вращения будет наблюдаться второе затмение, так как на место прорези станет следующий зуб и так далее.

Главная трудность состоит в точном определении момента затмения. Точность значительно повышается при увеличении базы и наблюдении затмений высокого порядка. В 1902 году Перротен на базе в 46 км наблюдал затмения 32 порядка и получил для скорости света значение .

В начале 19 века Араго предложил метод вращающегося зеркала, который был реализован Физо в 1849 году.

Майкельсон усовершенствовал метод вращающегося зеркала. Применение метода вращающегося зеркала позволило значительно сократить базу, что дало возможность определения скорости света в среде.