7.1.1. Определение скорости света

Скорость света очень велика и попытки её измерения приводили учёных к выводу, что свет мгновенно проходит любые расстояния. Однако это не так.

Впервые скорость света измерил в 1676 г. Олаф Рёмер (1644–1710, Дания), применив астрономический метод. Он заметил, что спутник Юпитера – Ио – вошёл в тень Юпитера, когда Земля была в положении 1 и вышел из неё через 42 ч. 28 мин. Через несколько месяцев, когда Земля была в положении 2 затмение Ио длилось 42 ч. 50 мин., что на 22 минуты больше. Рёмер понял, что период обращения спутника не изменился, но увеличилось расстояние между Землёй и Ио. Поделив увеличение пути луча на 22 мин., Рёмер получил, что скорость света составляет не менее 215000 км/с.

Впервые лабораторным методом определил скорость света в 1849 г. Ипполит Физо (1829–1896, Франция), а наиболее точные результаты получил в 1926 г. Альберт Майкельсон (1852–1931, США).

Опыт Майкельсона:

Восьмигранный зеркальный барабан Б отражает свет специального фонаря Ф, и через систему зеркал З₁З₂З₃ луч попадает на противоположную грань барабана, отражается от неё и через зрительную трубу Т достигает глаза наблюдателя. Расстояние от барабана до зеркала З₁ не менее 35 км. При вращении барабана отражённый луч не попадает в трубу Т до тех пор, пока угловая скорость вращения не примет определённое значение , при котором за время прохождения луча по линии АЗ₁З₂З₃С каждая последующая грань барабана в точности займёт место предыдущей. Значит, свет пройдёт 70 км за время, равное периода вращения барабана и скорость света . Зная , Майкельсон получил скорость света в воздухе c = 299796  4 км/c.

• По современным данным в вакууме c = 299792,5  0,5 км/c.

7.2. Развитие представлений о природе света

Световые явления многообразны. Учёные древности отмечали прямолинейность распространения света; направление распространения световой энергии от источника к наблюдателю получило название «луч» (ср. с п.6.1.2.1).

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором изучаются законы распространения световых лучей.

На основе законов геометрической оптики были созданы оптические системы – очки, теле- и микроскопы, зрительные трубы и др., однако природа света оставалась неизвестной.

К середине XVII в. в науке существовали две равноправные теории природы света: 1) корпускулярная (автором считают Ньютона); 2) волновая (автор – Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории, свет – поток частиц, совершающих механическое движение, что легко объясняет прямолинейность распространения света (на основе инерции частиц) и образование теней, но не объясняет, почему при пересечении лучей частицы не меняют направления движения и не рассеивают друг друга.

Согласно волновой теории, свет – волна, распространяющаяся в специальной среде – эфире. Т.к. в те времена были известны только механические волны, эфир должен был обладать свойством абсолютно твёрдого тела проводить энергию волны и заполнять всё пространство Вселенной. Это было слабым местом теории Гюйгенса. С помощью волновой теории легко объяснить явление пересечения лучей (волны проходят друг сквозь друга), но трудно – образование резких теней.

В начале XIX в. были изучены интерференция (п.6.1.2.6) и дифракция (п.6.1.2.7) света. Эти опыты и работы Максвелла привели к окончательной победе волновой теории света.

• Интерференция света – явление усиления и ослабления света при наложении когерентных световых волн друг на друга.

Волновая оптика – раздел оптики, изучающий световые явления, в которых проявляется волновая природа света.

В начале ХХ в. корпускулярная теория вновь заявила о себе. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц, называемых фотонами (или квантами).

Квантовая оптика – раздел оптики, изучающий явления, в которых существенны квантовые свойства света и атомов веществ.

• Сегодня учёные представляют кванты в виде сгустков энергии.

Таким образом, можно выделить геометрическую, волновую, квантовую и др. разделы оптики.