книги из ГПНТБ / Фрум К. Скорость света и радиоволн

Первые

измерения

11

э т о г о спутника

с о с т а в л я е т

приблизительно

4 2

ч .

2 8

мин . Однако

Р ё м е р обнаружил,

что ,

к о г д а

З е м л я

д в и ж е т с я

по

своей

орбите

в

н а ­

правлении

от

Юпитера,

м о м е н т ы

вхождения

спутника

в

т е н ь п л а н е т ы

з а п а з д ы в а л и

по

сравнению

с о ж и д а е м ы м

в р е м е н е м . Он

с д е л а л

в ы в о д ,

что

м а к с и м а л ь н о е

в р е м я

з а п а з д ы в а н и я ,

с о о т в е т с т в у ю щ е е

н а и м е н ь ш е ­

м у

и наибольшему

р а с с т о я н и я м

м е ж д у

З е м л е й

и

Юпитером,

я в л я е т с я

в р е м е н е м ,

з а

к о т о р о е

с в е т

проходит

р а с с т о я н и е ,

равное

д и а м е т р у

з е м н о й

орбиты . Он

получил

з н а ч е н и е

скорости

с в е т а ,

равное

п р и б л и ­

з и т е л ь н о

2 1 4

ООО к м / с , . п р и

э т о м ошибка

в

основном

о б ъ я с н я е т с я

неопределенностью

д и а м е т р а

земной

орбиты . П о з д н е е

Д е л а м б е р

( 1 7 9 0

г . )

и

Глазенап

( 1 8 7 4

г . )

получили

з н а ч е н и я

времени

з а п а з ­

дывания,

р а в н ы е

9 8 6

и

1 0 0 1 , 6

с: с р е д н я я

величина

э т и х значений

с у ч е т о м

современной

величины

д и а м е т р а

з е м н о й

орбиты

( 2 , 9 9 ' 1 0 8

к м )

д а е т

з н а ч е н и е скорости

с в е т а

с " 3 0 3

ООО к м / с

с

неопределенностью

около

2 0 0 0

к м / с .

М е т о д

Р ё м е р а

в н а с т о я щ е е

в р е м я наиболее

п р о с т о

можно

было

бы

т р а к т о в а т ь

как

пример

и з м е н е н и я

ч а с т о т ы

повторения

н е к о т о р о г о

события под влиянием эффекта Допплера, возникающего

в р е з у л ь т а т е

движения

н а б л ю д а т е л я . Период обращения спутника

Юпитера

м е н я е т ­

с я

примерно

на

± 1 5

с

о т с р е д н е г о

з н а ч е н и я

по

м е р е т о г о ,

ка к

З е м ­

ля

в р а щ а е т с я

в о к р у г

Солнца,

приближаясь

к

Юпитеру

и у д а л я я с ь

от

него со

с к о р о с т ь ю ,

м а к с и м а л ь н о е

з н а ч е н и е

которой р а в н я е т с я

о р б и ­

тальной

с к о р о с т и .

2 .

Б р а д л е й

Насколько

и з в е с т н о ,

следующее

определение

с к о р о с т и

с в е т а

б ы ­

ло

проведено

Б р а д л е е м

в 1 7 2 6

г . / 2 1 / в

о б с е р в а т о р и и

Кью . Он

н а ­

блюдал

з в е з д у

в с о з в е з д и и

Д р а к о н а

и

обнаружил,

что

е е

положение

явно м е н я л о с ь

в т е ч е н и е

г о д а , притом

э т о

явление

н е л ь з я

было

объяснить

п а р а л л а к с о м . Дл я дальнейшего

изучения

этой

проблемы он

у с т а н о в и л

новый

т е л е с к о п в с в о е м д о м е

в

У э н с т е д е

(Англия)

и з д е с ь

в т е ч е н и е

д о л г о г о

в р е м е н и

наблюдал

видимое

движение

ряда

з в е з д и

наконец

нашел

решение

п р о б л е м ы .

П р и в е д е м

в ы д е р ж к у из

ег о

р а б о ­

т ы : ' П у с т ь

CA

(рис . 1 . 2)

-

луч

с в е т а ,

падающий

перпендикулярно

к прямой BD. Если н а б л ю д а т е л ь

в

состоянии

покоя

находится

в т о ч ­

ке А , то объект

б у д е т

виден

в

направлении

Л С н е з а в и с и м о

от

т о г о ,

р а с п р о с т р а н я е т с я

с в е т

мгновенно

или з а

конечное

в р е м я .

П у с т ь

т е ­

перь н а б л ю д а т е л ь

д в и ж е т с я

и з точки

В

в т о ч к у

А,

а

с в е т р а с п р о ­

с т р а н я е т с я

с

конечной

с к о р о с т ь ю ,

отношение

которой

к

скорости

д в и ­

жения наблюдателя

равно

CA: ВА. Т о г д а

движущаяся

от

С

к

А

порция

с в е т а ,

б л а г о д а р я

которой

объект

б у д е т

виден,

к о г д а н а б л ю д а ­

т е л ь придет в

точку А,

находится

в

т о ч к е

С

в

т о т м о м е н т ,

к о г д а

наблюдатель

находится

в

т о ч к е 5.

Соединив

точки

В

и

С , п р и м е м

12

Глава

1

п р я м ую СВ

з а трубку,

наклоненную

к

прямой

BD

под

у г л о м

DBC

и

имеющую д и а м е т р , выделяющий лишь

одну порцию

с в е т а .

Д а л е е

л е г ­

ко с е б е

п р е д с т а в и т ь ,

что

выходящая

и з

точки

С

порция

с в е т а ,

б л а ­

г о д а р я которой должен

б ы т ь

виден объект, к о г д а

н а б л ю д а т е л ь

в

с в о ­

е м

движении

приходит

в точку

А

,

прошла

бы

с к в о з ь

трубку

ВС

... и

э т а

порция

с в е т а

не

была

бы

видна

г л а з о м

...

,

если

бы

п у т ь

е е р а с п р о с т р а н е н и я

и м е л

к а к о й - л и б о другой наклон к прямой

BD .

На

основании

изложенного

он

перешел

з а т е м

к

р а с с м о т р е н и ю видимого

движения

р е а л ь н ы х

з в е з д

при

вращении Земли вокруг Солнца и

по

р е з у л ь т а т а м

с в о ­

их

наблюдений с д е л а л

в ы в о д ,

ч т о

у г о л аберрации

ф=20,2"

и п о э т о м у

отношение

с к о р о с т и

с в е т а

к

с к о ­

р о с т и

движения Земли

по

е е

орбите

равно 1 0

2 1 0 : 1 .

Э т о

д а е т

з н а ч е н и е

с = 3 0 1

ООО

к м / с .

С о з д а в

теорию,

Б р а д л е й

з а т е м п е р е ш е л

к

е е

подтверждению

п у т е м

наблюдений

з а другими

з в е з д а м и .

Ч и т а я

э т у

работу

Б р а д л е я ,

л е г к о п о н я т ь ,

почему

Ньютон н а з ы в а л

е г о

"лучшим

а с т р о н о м о м

Европы"»

М е т о д ы

Б р а д л е я

и

Р ё м е р а п р е д с т а в л я ю т

особый

и н т е р е с ,

поскольку они

определяют

с к о р о с т ь

с в е т а

при

е г о р а с п р о с т р а н е н и и

в одном

направлении .

В с е

же

м е т о д ы ,

п р и м е н я е м ы е

на

поверхности

З е м л и ,

дают

с р е д н е е

з н а ч е ­

ние

этой

скорости

для

пути

распространения

с в е т а

туда

и

о б р а т н о .

Т о т

факт, что обе

эти

величины

в

п р е д е л а х

т о ч н о с т и

э к с п е р и м е н т а

о к а з а л и с ь одинаковыми,

п р е д с т а в л я е т

большой

теоретический

и н т е р е с .

3 .

Физо

Задача

и з м е р е н и я

в р е м е н и , з а т р а ч и в а е м о г о

с в е т о м при

е г о

р а с ­

пространении на с р а в н и т е л ь н о к о р о т к о е

р а с с т о я н и е

на

поверхности

Земли, была

в п е р в ы е

решена

Физо

/3 6 / ,

причем

для

проведения

и з ­

мерений

им

был предложен

следующий

основополагающий

принцип.

В м е с т о и з м е р е н и я

к о р о т к о г о

интервала

в р е м е н и ,

необходимого

для

прохождения

с в е т а

туда

и

обратно,

он

с о з д а л у с т р о й с т в о ,

о б е с п е ч и ­

вающее

м н о г о к р а т н о е

прохождение

с в е т а ,

и

обнаружил некоторый

п а ­

р а м е т р ,

в данном с л у ч а е

интенсивность

о т р а ж е н н о г о

с в е т а ,

к о т о р а я

и з м е р е н и е

в р е м е н н ы х

интервалов

з а м е н я л о с ь

и з м е р е н и е м ч а с т о т ы

посылок,

ч т о

т е х н и ч е с к и значительно

п р о щ е .

Источник

с в е т а S

( р и с . 1

. 3)

фокусировался линзой L ,

на край

к о л е с а , и м е ю щ е г о 7 2 0

з у б ц о в .

Пучок

с в е т а

проходил с к в о з ь

п р о м е -

Первые

измерения

13

ж у т ок м е ж д у з у б ц а м и , п р е в р а щ а л с я

линзой

]_, в параллельный,

ф о к у ­

с и р о в а л с я д а л е е

линзой

L 3 на

в о г н у т о е з е р к а л о

М2

и о т р а ж а л с я

обратно,

проходя

с к в о з ь

линзы

L

и L 2 .

З а т е м

с в е т

снова

п р о х о ­

дил

с к в о з ь п р о м е ж у т о к

м е ж д у

з у б ц а м и и ч е р е з

полупрозрачное

з е р ­

кало

М,

попадал

в г л а з

О . Е с л и

колесо

в р а щ а е т с я

с такой

с к о ­

ростью,

при которой отраженный

с в е т по п а д а е т

на з у б е ц к о л е с а ,

то

и н т е н с и в н о с т ь

с в е т а ,

н а б л ю д а е м а я в

т о ч к е

О,

минимальна;

но если

с в е т проходит

ч е р е з

следующий п р о м е ж у т о к

м е ж д у з у б ц а м и , то

ег о

интенсивность

м а к с и м а л ь н а . Первый

минимум

был получен

при

с к о ­

что дало з н а ч е н и е

с = 3 1 3 ООО к м / с . У в е л и ч е н и е скорости вращения

к о л е с а

вдвое

д а е т

вновь м а к с и м а л ь н у ю

и н т е н с и в н о с т ь . Очевидно, т о ч ­

ность

э к с п е р

и м е н т а

у в е л и ч и в а е т с я с у в е л и ч е н и е м скорости

вращения

к о л е с а

и к о л

и ч е с т в а е г о з у б ц о в . Однако

Физо

никогда

не

сообщал

детали

своих

э к с п е р и м е н т о в , он привел

т о л ь к о

р е з у л ь

т а т усреднения

данных 2 8

и з м е р е н и й .

Э т о т

р е з у л ь т а т

был в ы р а ж е н

им

в

м е р а х

д л и ­

ны т о г о

времени - л и г а х -

и р а в н я л с я

7 0 , 9 4 8

л и г а м ,

а

с к о р о с т ь

вращения

с о с т а в л я л а 2 5

г р а д / с ,

чт о с о о т в е т с т в у е т

вышеуказанной

величине

в

с о в р е м е н н ы х

единицах,

4 .

Фуко

В т о р о е

успешное

определение

скорости

с в е т а

было

проведено

Фуко в 1 8 6 2

г . при помощи

в р а щ а ю щ е г о с я

з е р к а л а .

С в е т

источника

S (рис . 1 . 4)

о т р а ж а е т с я

от

в р а щ а ю щ е г о с я

з е р к а л а

и

проходит

ч е р е з линзу

к в о г н у т о м у

з е р к а л у

М2. З а т е м

он

в о з в р а щ а е т с я

по

т о м у

ж е пути

к з е р к а л у M и,

если оно не в р а щ а е т с я ,

о т р а ж а е т с я

от

него

и п а д а е т на наклонную пластину Р,

от

которой он

о т р а ж а е т с я

к

т о ч ­

ке О. Если

з е р к а л о в р а щ а е т с я ,

то и з о б р а ж е н и е

источника

с м е щ а е т с я

к т о ч к е

О'. С к о р о с т ь с в е т а

п о д с ч и т ы в а е т с я

по

р а с с т о я н и ю

00',ско­

рости вращения з е р к а л а

и по р а с с т о я н и ю /И, М2.

Дл я уменьшения

д и -

14

Глава 1

фракционных эффектов источник

с в е т а

был

сделан в

виде решетки с

параллельными линиями, отстоящими

друг

от д р у г а

на р а с с т о я н и е

чения р а с с т о я н и я

МуМ2

интенсивность

изображения б ы с т р о

у м е н ь ш а ­

е т с я

к а к

I / O 3 , т а к

как

при

вращении

о т р а ж а ю щ е е

з е р к а л о

м о ж е т

эффективно р а б о т а т ь

т о л ь к о

в

м а л о м у г л е .

Э т о з а т р у д н е н и е

до

н е к о ­

торой степени было

преодолено

п у т е м

и с п о л ь з о в а н и я более

т щ а т е л ь ­

но разработанной

оптической с и с т е м ы .

Фуко и с п о л ь з о в а л ряд

и з

5

в о г н у т ы х

з е р к а л .

Зеркало приводилось

в

движение

воздушной

т у р б и ­

ной,

и с к о р о с т ь

его

вращения

определялась

с т р о б о с к о п и ч е с к и м

м е т о ­

д о м .

С к о р о с т ь вращения

з е р к а л а

с о с т а в л я л а

5 0 0

о б / с , и при

эффек ­

тивном пути с в е т о в о г о

с и г н а л а

в

2 0

м

отклонение с в е т а

р а в н я л о с ь

0,7

м м .

Полученное

з н а ч е н и е

скорости

с в е т а с о с т а в и л о 2 9 8

0 0 0 к м / с

с возможной ошибкой 5 0 0

к м / с .

о о1

5 .

Д р у г и е оптические

и з м е р е н и я ,

проведенные

до

1 9 0 0

г .

Во

м н о г и х

последующих

и з м е р е н и я х

и с п о л ь з о в а л и с ь

м е т о д ы Ф и -

з о и Фуко

с н е з н а ч и т е л ь н ы м и и з м е н е н и я м и . Корню

/ 2 3 / ,

и с п о л ь з у я

з у б ч а т о е

колесо и

длину

с в е т о в о г о

пути

1 0 , 3

к м ,

в 1 8 7 2

г . п р о ­

вел серию

и з б о л е е

6 0 0

измерений

и получил

р е з у л ь т а т ы ,

с о г л а с у ю ­

щиеся

с

р е з у л ь т а т а м и

Фуко. С о в е т

Парижской

обсерватории

с о д е й ­

с т в о в а л

ему в

повторении

э к с п е р и м е н т а ,

ч т о б ы получить

величину

скорости

с в е т а

с т о ч н о с т ь ю

до 0 , 0 0 1

и

и с п о л ь з о в а т ь э т о

з н а ч е н и е

при наблюдении

прохождения

В е н е р ы

ч е р е з диск Солнца

9

д е к а б р я

1 8 7 4

г .

Первые

измерения

15

Корню

и с п о л ь з о в а л

несколько

з у б ч а т ы х

к о л е с различного

типа

и длину

с в е т о в о г о пути

около

2 3

к м . В с е ж е т о ч н о с т ь

и з м е р е н и я

была

низкой,

р а з б р о с

о т д е л ь н ы х

и з м е р е н и й

с о с т а в л я л

примерно

3%.

Корню

н а д е я л с я

на повышение

точности

з а с ч е т

усреднения

р е з у л ь ­

т а т о в большого

к о л и ч е с т в а

и з м е р е н и й .

Т а к и м о б р а з о м

он

получил

к о ­

нечное

з н а ч е н и е

для

скорости

с в е т а

в в а к у у м е

3 0 0

4 0 0

к м / с . О п а с ­

ность

т а к о г о

м е т о д а

усреднения

большого к о л и ч е с т в а

сильно

р а з л и ­

чающихся

р е з у л ь т а т о в наблюдений

и л л ю с т р и р у е т с я

т е м ,

что

Дорси

/ 2 5 / ,

т щ а т е л ь н о

изучивший

р е з у л ь т а т ы

т е х

ж е

наблюдений,

заключил,

что они приводят

к значению 2 9 9

9 0 0 к м / с .

Определение

скорости

с в е т а

с ч и т а л о с ь

д е л о м

г о с у д а р с т в е н н о й

важности

т а к ж е

в США, и в

1 8 7 9

г .

к о н г р е с с

а с с и г н о в а л

с р е д с т в а

для этой

дели,

в о з л о ж и в

о т в е т с т в е н н о с т ь з а

р а б о т у

на

астрогіома

Н ь ю к о м б а . В

то ж е в р е м я

М а й к е л ь с о н

г о т о в и л с я

провести

н е з а в и с и ­

м ы е и з м е р е н и я

в

этой области,

и

ему было

поручено

п о м о г а т ь

Н ь ю -

комбу . О с н о в н ы м источником ошибок

в м е т о д е

Фуко

я в л я е т с я

м а л о с т ь

смещения

и з о б р а ж е н и я .

Положение

можно было

исправить

лишь

в

р е ­

з у л ь т а т е

удлинения пути

с в е т о в о г о

с и г н а л а ,

но

э т о

было

трудно

с д е ­

л а т ь

б е з

потери

большого

к о л и ч е с т в а

с в е т а .

Ньюкомб

и с п о л ь з о в а л

р а с с т о я н и я

5 , 1

и 7 , 4 к м

и

ряд

р а з л и ч н ы х скоростей

вращения

з е р к а ­

ла . З е р к а л о

п р е д с т а в л я л о

собой

квадратную

с т а л ь н у ю

призму

с о т п о ­

лированными

г р а н я м и

и

г а л ь в а н и ч е с к и м

п о к р ы т и е м .

С к о р о с т ь

в р а щ е ­

ния в ы б и р а л а с ь

и р е г у л и р о в а л а с ь

т а к ,

чтобы

получить

неподвижное

и з о б р а ж е н и е

на

принимающем

т е л е с к о п е

с н а ч а л а с

одной

стороны

точки

н у л е в о г о

отклонения,

а

з а т е м

с другой с т о р о н ы .

Р е з у л ь т а т ы

измерений

о к а з а л и с ь

м е н е е

р а з б р о с а н н ы м и ,

ч е м у

предыдущих

у ч е ­

ных,

и

после

с о о т в е т с т в у ю щ е й

оценки и усреднения

было

получено

з н а ч е н и е

скорости с в е т а

2 9 9

8 1 0 +

3 0

к м / с . Ньюкомб

предложил

ряд у с о в е р ш е н с т в о в а н и й ,

к о т о р ы е

п о з ж е р е а л и з о в а л

М а й к е л ь с о н .

М а й к е л ь с о н

/ 6 5 /

в

1 8 7 8 - 1 8 7 9

г г . провел

п е р в ы е

из

своих

многочисленных

и з м е р е н и й . В

е г о

э к с п е р и м е н т е

контроль

скорости

вращения

з е р к а л а о с у щ е с т в л я л с я

при

помощи к а м е р т о н а .

С м е щ е н и е

изображения

примерно в

1 3 0 м м

и з м е р я л о с ь

м и к р о м е т р о м

и р е г и с ­

т р и р о в а л о с ь

с т о ч н о с т ь ю

до

0 , 0 1

м м . Д л я

1 0 0

измерений

с к о р о с т и

с в е т а

было

получено

с р е д н е е з н а ч е н и е

2 9 9

9 1 0 +

5 0

к м / с . П о з д н е е

в 1 8 8 2

г .

частично

в с в я з и

с

р а с х о ж д е н и е м м е ж д у

э т и м

з н а ч е н и е м

и з н а ч е н и е м ,

полученным

Ньюкомбом, М а й к е л ь с о н

провел

еще ряд

и з м е р е н и й ,

применив

м е т о д

Фуко,

и

получил

с = 2 9 9

8 5 3

+ 6 0 к м / с .

Е г о более

поздние и з м е р е н и я

будут

описаны

в

г л .

4 .

6, Э л е к т р и ч е с к и е

м е т о д ы

измерений

Во

второй

половине

X I X в . и н т е р е с к

величине

скорости

с в е т а

появился

в

совершенно иной

о т р а с л и

науки.

Основные

з а к о н ы

э л е к -

16

Глава

1

т р и ч е с т в а

и

м а г н е т и з м а

р а з в и в а л и с ь

н е з а в и с и м о

друг

от

друга,

что

вело

к различному

определению

входящих

в

э т и

з а к о н ы величин .

В

1 7 8 5

г .

Кулон

э к с п е р и м е н т а л ь н о у с т а н о в и л ,

что

сила

в з а и м о д е й с т в и я

двух

з а р я д о в

q

и

q2

прямо пропорциональна

произведению

обоих

з а ­

рядов и обратно пропорциональна квадрату

р а с с т о я н и я

d

м е ж д у

ними.

Этот

закон

можно

з а п и с а т ь

следующим

о б р а з о м :

F=K,q,q2/d\

(1.1)

Поскольку

единицы силы и

р а с с т о я н и я

у ж е

были

определены

н е ­

з а в и с и м о друг

от друга, то можно было принять КЛ

= 1 и т а к и м

о б р а ­

з о м

определить

единицу

з а р я д а

к а к з а р я д ,

который

д е й с т в у е т

с

с и ­

лой

1

дина

на

равный

ему

з а р я д , удаленный

на

р а с с т о я н и е

1

с м .

Единицы

других

э л е к т р и ч е с к и х

величин,

т а к и х ,

к а к е м к о с т ь ,

сила

т о ­

ка

и

напряжение,

можно

было определить

по

единице

з а р я д а .

Эта

с и с т е м а

единиц

и з в е с т н а

к а к э л е к т р о с т а т и ч е с к а я

с и с т е м а .

Кулон

у с т а н о в и л

т а к ж е , ч т о

з а к о н , определяющий

силу,

действующую

м е ж д у

м а г н и т н ы м и

полюсами,

аналогичен уравнению

( 1 . 1 ) .

Изолированные

м а г н и т н ы е

полюса

получить

н е л ь з я ,

однако

длинный

магнитный

б р у ­

сок

в е д е т

с е б я

т а к ,

к а к

если бы он

и м е л

на

концах

м а г н и т н ы е

п о л ю ­

са

противоположного

з н а к а .

П о э т о м у с т а л о

в о з м о ж н ы м

и с с л е д о в а т ь

процесс

отталкивания

между двумя

одноименными

м а г н и т н ы м и

п о л ю ­

с а м и ,

и

х о т я и з м е р е н и я

не

отличались

большой

т о ч н о с т ь ю ,

они

п р и ­

вели

к открытию

з а к о н а ,

который можно

в ы р а з и т ь

следующей

ф о р ­

мулой:

F =. К2т, m2/d2,

(1-2;

г д е К2

- н е к о т о р а я к о н с т а н т а .

Т е с н а я

с в я з ь м е ж д у

э л е к т р и ч е с т в о м

и

м а г н е т и з м о м

была

д о к а ­

з а н а э к с п е р и м е н т а л ь н о , в ч а с т н о с т и А м п е р о м и Ф а р а д е е м , и э т о

дало в о з м о ж н о с т ь в ы в е с т и

единицы других

э л е к т р и ч е с к и х

величин

ч е р е з

единицу

м а г н и т н о г о поля,

определенную

с

помощью

уравнения

( 1 . 2 )

при

К2

=1

и з

( 1 . 2 ) .

Эта

с и с т е м а

единиц

и з в е с т н а

к а к

э л е к ­

т р о м а г н и т н а я

с и с т е м а

единиц С Г С . Для

решения

практических

з а д а ч ,

например

таких,

к а к проектирование подводных кабелей, необходимо

было

з н а т ь соотношение

м е ж д у различными

единицами,

ч т о ,

по

м н е ­

нию

М а к с в е л л а ,

я в л я л о с ь

наиболее важной

проблемой

в

науке

об

э л е к т р и ч е с т в е .

У к а з а н н о е соотношение м о ж е т

б ы т ь

определено

и з м е ­

рение м ,

например,

величины

э л е к т р и ч е с к о г о

з а р я д а , напряжения

или

е м к о с т и

д в у м я

различными

м е т о д а м и , дающими

р е з у л ь т а т ы

и з м е р е ­

ний

в

р а з л и ч н ы х

единицах.

Э т о

соотношение, к о т о р о е

м ы м о ж е м

о б о ­

значить

буквой

с ,

е с т ь

О

/0

, V /V

или

J

С

/

С '

г д е

индексы

s

Первые

измерения

17

и m

о з н а ч а ю т ,

ч т о

з а р я д в ы р а ж е н

в

э л е к т р о с т а т и ч е с к и х

или

э л е к т р о ­

м а г н и т н ы х единицах

с о о т в е т с т в е н н о .

П е р в ы е и з м е р е н и я

были проведены

К о л ь р а у ш е м

и В е б е р о м

в

1 8 5 7

г .

( с м .

/ 6 1 /

) .

Они

измерили

з а р я д

к о н д е н с а т о р а ,

и с п о л ь з о ­

в а в

лейденскую

банку .

Значение

е г о

е м к о с т и было получено

в э л е к ­

т р о с т а т и ч е с к и х

единицах

и з а т е м

с о п о с т а в л е н о

с

рассчитанной

е м ­

к о с т ь ю сферы

и

е е

напряжением,

к о т о р о е

было

т а к ж е

определено

в

э л е к т р о с т а т и ч е с к и х

единицах

при

помощи, э л е к т р о м е т р а .

З а р я д

равен

произведению

е м к о с т и

и

напряжения .

З а т е м

з а р я д

был

определен

в

э л е к т р о м а г н и т н ы х

единицах

при

р а з р я д е к о н д е н с а т о р а

ч е р е з

катушку

г а л ь в а н о м е т р а .

Идущий ч е р е з

катушку т о к

с о о б щ а е т

м а г н и т у

г а л ь в а ­

н о м е т р а определенную

угловую

с к о р о с т ь . С т р е л к а

о т к л о н я е т с я

на

у г о л

в

и о с т а н а в л и в а е т с я

в силу

противодействия м а г н и т н о г о поля

З е м ­

ли. М а к с и м а л ь н о е

отклонение

г а л ь в а н о м е т р а

б

д а е т

з н а ч е н и е

Q в

э л е к т р о м а г н и т н ы х

единицах

в с о о т в е т с т в и и

с формулой

Т

2 sin

(0/2),

(1.3)

TT

г д е

H -

напряженность

г о р и з о н т а л ь н о й

компоненты

м а г н и т н о г о

п о ­

ля

Земли,

G

- к о н с т а н т а

прибора

и

Т -

в р е м я

единичного

к о л е б а ­

ния

г а л ь в а н о м е т р а .

Т а к и м

о б р а з о м , Кольрауш

и В е б е р

получили

з н а ­

чение

с = 3 1 0

7 4 0

к м / с .

Е щ е

до т о г о , к а к

было

получено

э т о

з н а ч е н и е ,

в 1 8 4 6

г , Ф а р а -

дей предположил, ч т о

с в е т

п р е д с т а в л я е т

собой

э л е к т р о м а г н и т н о е

и з ­

лучение .

Е г о

идея,

подтвержденная

э к с п е р и м е н т о м ,

с т а л а основой

э л е к т р о м а г н и т н о й теории

с в е т а

М а к с в е л л а .

Слияние э л е к т р о м а г н е т и з м а

и

оптики

я в л я е т с я

одним

и з

в е л и ч а й ­

ших событий в н а у к е . Пожалуй,

с т о и т вспомнить

з а м е ч а н и е

М а к с в е л ­

ла

о

двух э к с п е р и м е н т а т о р а х ,

к о т о р ы е сделали

э т о

в о з м о ж н ы м .

" Э к ­

с п е р и м е н т а л ь н о е и с с л е д о в а н и е , б л а г о д а р я к о т о р о м у А м п е р о т к р ы л

закон

м е х а н и ч е с к о г о

в з а и м о д е й с т в и я

м е ж д у

э л е к т р и ч е с к и м и

т о к а м и ,

я в л я е т с я

одним

из

величайших

достижений

науки . И

т е о р и я ,

и э к с п е ­

р и м е н т совершенны

по

форме

и

непревзойденны

по т о ч н о с т и .

Они

с у м м и р у ю т с я

в

формуле,

к о т о р а я

н а в с е г д а

о с т а н е т с я

важнейшей

ф о р ­

мулой в

э л е к т р о д и н а м и к е .

Ампер не

о п и с ы в а е т

м е т о д а ,

который

привел

е г о

к

открытию

э т о г о з а к о н а ,

и п о з д н е е ,

р а з р а б о т а в

совершенный

демонстрационный

э к с п е р и м е н т ,

он

удалил

в с е с л е д ы

с т р о и т е л ь н ы х

л е с о в ,

при

помощи

к о т о р ы х было

в о з д в и г н у т о

з д а н и е ,

Фарадей,

напротив,

п о к а з ы в а е т

н а м свои

неудачные

и

у д а ч н ы е

э к с п е р и м е н т ы ,

свои

с ы р ы е и

о т р а б о ­

т а н н ы е идеи,

и ч и т а т е л ь

и с п ы т ы в а е т

к

нему симпатию,

д а ж е

б о л ь ­

шую,

ч е м

восхищение,

и

начинает

в е р и т ь ,

ч т о

если

бы

он

и м е л

в о з -

18

Глава

1

м о ж н о с т ь ,

то т а к ж е

был

бы

п е р в о о т к р ы в а т е л е м .

П о э т о м у каждый

студент

должен

ч и т а т ь

труды Ампера

ка к

прекрасный образе ц

н а у ч ­

ного стиля

при

описании

открытия , но он т а к ж е

должен и з у ч а т ь

т р у ­

ды

Фарадея для

т о г о ,

чтобы

в ы р а б о т а т ь

научный

подход",

В последующие г о д ы

отношение

с

о п р е д е л я л о с ь несколько

р а з ,

но

д о с т и г н у т а я

т о ч н о с т ь

была невысокой . Однако одно и з м е р е н и е ,

сделанное

в 1 9 0 6

г . ,

было

с т о л ь ж е

т о ч н ы м ,

как

н е п о с р е д с т в е н н ы е

и з м е р е н и я

скорости

с в е т а ,

проведенные

в

то

в р е м я . Б о л е е

детальн о

об

э т о м будет

с к а з а н о

в

г л .

5 .

Э л е к т р о м а г н и т н о е

излучение,

п р е д ­

с к а з а н н о е М а к с в е л л о м ,

было

получено Герцем, который провел

э к с ­

п е р и м е н т ы ,

показавшие, что

э т о

излучение

р а с п р о с т р а н я е т с я

с

к о н е ч ­

ной

с к о р о с т ь ю . Значение

этой скорости в п е р в ы е получил Блондло .

Искровые разрядники,

использовавшиес я

в

т о в р е м я

р к а ч е с т в е

и с ­

точника

э л е к т р о м а г н и т н ы х

волн,

излучают

э н е р г и ю

в широкой

п о л о ­

с е

ч а с т о т ,

но при

помощи

настроенного

контура,

с о с т о я щ е г о из

и н ­

дуктивности и

е м к о с т и , можно в ы б р а т ь

определенное значение

ч а с ­

т о т ы , которая

о п р е д е л я е т с я

по

формуле

[-1/2*/Л?.

(1.4)

Выбранна я

ч а с т о т а

п е р е д а в а л а с ь

вдоль

пары

параллельны х

п р о ­

водов (рис . 1 . 5)

и

о т р а ж а л а с ь

от д а л ь н е г о конца линии. Если

а м ­

плитуда

падающей

волны

Е,=

Еп

sin

(cot-2nx/\),

(1.5)

а

амплитуда отраженной

волны

Е2=

E0sin(a>t

+ 2nx/k

+ <j>),

( 1 - б )

г д е

ер

- и з м е н е н и е

ф а з ы

при отражении

и

%

-

р а с с т о я н и е ,

о т м е р е н ­

ное

от

точки отражения,

т о

результирующая амплитуд а будет

равна

£ = £ , +

£ 2

= 2

£ 0

c o s

(2тг*Л + р / 2 ) sin U J + <р/2).

(1.7)

Это с и с т е м а стоячих волн

с

нулевой

амплитудой

в

точках,

г д е

2 W A

+ V>/2 = (2rc + D77/2,

(1.8)

и

амплитудой

2 Е0

в точках,

г д е

2тгх/Х + ф/2 = птт.

(1.9)

Первые

измерения

19

Т а к и м о б р а з о м ,

п о с л е д о в а т е л ь н ы е

у з л ы или

пучности н а х о д я т с я

на

расстоянии

А/2

друг

от друга

вдоль

провода,

что

д а е т в о з м о ж н о с т ь

найти величину

Л.

Т о г д а с к о р о с т ь

р а с п р о с т р а н е н и я

волны

будет

п р о ­

с т о

/А.

Блондло

с с ы л а е т с я

на

работу

С а р а с с и н а

и

Л а

Р и в е ,

к о т о р ы е

у с т а н о в и л и ,

ч т о

длина

волн

вдоль

п а р а л л е л ь н ы х

проводов

т а

ж е ,

что

и в

в о з д у х е .

Ч а с т о т а

колебаний о п р е д е л я л а с ь

по уравнению

( 1 . 4 ) ,

при

э т о м

индуктивность р а с с ч и т ы в а л а с ь исходя

из

р а з м е р о в

цепи,

а

е м к о с т ь и з м е р я л а с ь по м е т о д у М а к с в е л л а . В н а с т о я щ е е в р е м я и з ­

в е с т н о ,

что

м н о г и е

допущения

в э т о м

э к с п е р и м е н т е

не

вполне

п р а ­

вильны,

но и в

этих

у с л о в и я х р е з у л ь т а т был

д о с т а т о ч н о

т о ч н ы м .

Б ы ­

ло

использовано

1 3 р а з л и ч н ы х

ч а с т о т

м е ж д у

1 0 - Ю 6

и

3 0 - Ю 6

Гц;

полный

р а з б р о с

величины скорости

с о с т а в и л

5%

при е е

с р е д н е м

з н а ­

чении 2 9 7

6 0 0

к м / с .

Б л о н д л о пришел к заключению,

ч т о

э т а

величина

с о в п а д а е т

со

с к о р о с т ь ю с в е т а

и с

отношением

э л е к т р о с т а т и ч е с к и х

и

э л е к т р о м а г н и т н ы х

единиц в

пределах

точности

э к с п е р и м е н т а .

Он

о с ­

торожно

добавил,

что

было

бы

преждевременно

д е л а т ь

вывод,

что

э л е к т р о м а г н и т н ы е

колебания

и

с в е т и м е ю т общую природу, х о т я

р е ­

з у л ь т а т ы

г о в о р я т

в

пользу

такой

г и п о т е з ы .

Р и с .

1.5.

7 . С в о д к а р е з у л ь т а т о в

Эти ранние

и з м е р е н и я

дали ряд р е з у л ь т а т о в

фундаментальной

в а ж н о с т и .

Б ы л о

у с т а н о в л е н о , что

в п р е д е л а х

точности

э к с п е р и м е н т о в

около 1 %

с к о р о с т ь

с в е т а

в

одном

направлении

вдоль

пути,

п е р е с е ­

кающего

орбиту

Земли, т . е . практически

не

з а в и с я щ а я

от с в о й с т в

о к о л о з е м н о г о

п р о с т р а н с т в а ,

равна

скорости

с в е т а

в п р я м о м

и

о б р а т ­

ном

направлениях

на поверхности

З е м л и .

С к о р о с т ь

с в е т а

о к а з а л а с ь

такой ж е ,

как

и

с к о р о с т ь

р а с п р о с т р а н е н и я волн,

и з л у ч а е м ы х

э л е к ­

трической

искрой,

и численно равной

отношению

э л е к т р о с т а т и ч е с к о й и

э л е к т р о м а г н и т н о й

единиц

з а р я д а .

П о - в и д и м о м у ,

ц е л е с о о б р а з н о

с у м м и ­

р о в а т ь эти

ранние

р е з у л ь т а т ы , к о т о р ы е в с е

еще

п р е д с т а в л я ю т

н а у ч ­

ный

и н т е р е с ,

х о т я

с а м и величины

в н а с т о я щ е е

в р е м я

не

имеют

б о л ь ­

шого

значения

в

с в я з и с

последующими б о л е е

точными

и з м е р е н и я м и .

Р е з у л ь т а т ы , полученные

в э к с п е р и м е н т а х

со

с в е т о м ,

с в е д е н ы

в

т а б л . I ,

в

т а б л .

П даны

р е з у л ь т а т ы

измерений

с и с п о л ь з о в а н и е м

э л е к т р о м а г н и т н о г о

излучения, в т а б л .

Ш

п р е д с т а в л е н ы данные,

п о л у ­

ченные и з

отношения единиц. Д л я

единообразия

в с е э т и

р е з у л ь т а т ы

приведены

к з н а ч е н и я м скорости

в в а к у у м е .