Новая папка_2 / Определение скорости света (2)

ИСТОРИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) – скорость распространения любых электромагнитных волн, в том числе и световых. Представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой.

Скорость света в среде зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот излучения: с’() = c/n(). Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости света в среде, если речь идет не о монохроматическом свете (для скорости света в вакууме эти величины совпадают. Экспериментально определяя с’, всегда измеряют групповую скорость света.

Впервые скорость света определил в 1676 году О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 году её установил Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звезд. В 1849 году А. И. Л. Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы), так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину весьма близкую к скорости.

В опыте Физо пучок света от источника света S, отраженный полупрозрачным зеркалом 3, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском 2, проходил базу 4-1 (около 8 км) и, отразившись от зеркала 1, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в

промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр 4. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение c = 313300 км/с.

В 1862 году Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 году идею Д. Арго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.

Определение скорости света методом вращающегося зеркала (Метод Фуко): S– источник света; R – быстровращающееся зеркало; C – неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отраженный C, всегда попадает обратно на R); M – полупрозрачное зеркало; L– объектив; E – окуляр; RC – точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отраженный пучок в точке S’, а не в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале R. Скорость света устанавливается, измеряя смещение SS’.

Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение c = 299796 4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.

Измерение скорости света в 19 веке сыграли большую роль в физике, дополнительно подтвердив волновую теорию света. Выполненное Фуко в 1850 году сравнение скорости света одной и той же частоты в воздухе и воде показало, что скорость в воде u = c/n() в соответствии с предсказанием волновой теории. Была так же установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная скорость света совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитных и электростатических единиц электрического заряда.

В современных измерениях скорости света используется модернизированный метод Физо с заменой зубчатого колеса на интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. Приемником излучения служит фотоэлемент или фотоэлектрический умножитель. Применение лазера в качестве источника света, УЗ – модулятора со стабилизированной частотой и повышение точности измерения длины базы позволит снизить погрешности измерений и получить значение с = 299792,5 0,15 км/с. Помимо прямых измерения скорости света по времени прохождения известной базы, широко применяются косвенный методы, дающие большую точность.

Скорость света в вакууме принять считать 2999792458 1,2 м/с.

Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения значений других физических величин, но и для практических целей. К ним, в частности. Относится определение расстояний во времени прохождения радио- или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии и др.

Майкельсон и скорость света

Не так уж часто приходится человеку семидесяти с лишним лет возвращаться к работе, которой он занимался в молодости, чтобы попытаться уточнить результаты и без того весьма точных и надежных исследований, потому что все считают, что никто другой не сможет это сделать лучше его. Такая завидная возможность представилась Майкельсону.

В 1923 году Джордж Эллери Хэл, директор обсерватории Маунт-Вильсон, предложил Майкельсону приехать в Пасадену и провести новое определение скорости света. Майкельсон принял его предложение с восторгом. Он давно уже ждал случая уточнить результаты своего знаменитого измерения 1882 года. Он быстро собрался и выехал в Калифорнию, где организовал свой штаб у подножия горы Маунт-Вильсон.

Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы Маунт-Вильсон, а другая – на вершине горы Сан-Антонио, известной под прозвищем «Старая плешь», на высоте 5800 м над уровнем моря и на расстоянии 35 км от горы Маунт-Вильсон. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов было поручено точно измерить расстояние между двумя отражающими плоскостями – вращающимся призматическим зеркалом на Маунт-Вильсон и неподвижным зеркалом на Сан-Антонио. Возможная ошибка при измерении расстояния составляла одну семимиллионную, или долю сантиметра на 35 км. Вращающаяся призма из никелированной стали с восемью зеркальными поверхностями, отполированными с точностью до одной миллионной, была изготовлена для опыта бруклинской компанией «Сперри джироскоп компани», президент которой, инженер-изобретатель Эльмер А. Сперри, был другом Майкельсона. Кроме того, было изготовлено еще несколько стеклянных и стальных призм. Восьмиугольный высокоскоростной ротор делал до 528 оборотов в секунду. Он приводился в движение воздушной струей, и его скорость, как и в прошлых опытах, регулировалась при помощи электрического камертона. (Камертон используется не только музыкантами для определения высоты звука. С его помощью можно очень точно определять короткие равные отрезки времени. Можно создать инструмент с нужной частотой, который под действием электрического тока будет вибрировать, подобно электрическому звонку.)

Сперри также предложил своему другу усовершенствованный прожектор, работающий от сильной дуги, построенный им незадолго до этого для военных целей. Престон Р. Бассет, инженер, возглавлявший работу над прожектором и позднее ставший президентом компании, разработал для этого эксперимента специальный механизм с дуговой лампой и сам отвез его летом 1924 года в Калифорнию. Для участия в проведении опыта из Чикаго приехал Фред Пирсон.

Новое измерение скорости света

Майкельсон, подобно капитану на мостике корабля, с увлечением руководил подготовкой операции, вникая в каждую мелочь. Были приняты все возможные меры предосторожности, чтобы исключить или свести к минимуму погрешности. Ученый мир с интересом наблюдал за приготовлениями. Наконец все было готово, и свет от дуговой лампы был направлен к зеркалу на Сан-Антонио и отразился на вращающуюся призму на горе Маунт-Вильсон (рис. 12). Измерения проводились каждую ясную ночь с десяти часов вечера до полуночи, и каждая серия наблюдений продолжалась несколько недель. Результаты измерений ежедневно поступали в штаб Майкельсона в Пасадене.

Рис. 12. Усовершенствования, внесенные Майкельсоном в свою установку. Принцип остался тот же (основным изменением было увеличение пути светового луча).

Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений. Средний результат равнялся 299 798 км в секунду.

Но Майкельсон все еще не был вполне удовлетворен. Он надеялся, что, если увеличить длину пути светового луча и перенести опыт в другую местность, ему удастся получить еще более точное определение. В своем сообщении об опыте на горе Сан-Антонио [33] он писал: «Успех измерений на расстоянии 22 миль, большинство из которых проводились не в самых благоприятных условиях (туман и дым от лесных пожаров), указывает на целесообразность проведения опыта на значительно большем расстоянии».

Для такого опыта он выбрал гору Сан-Хасинто, расположенную в 130 км от горы Маунт-Вильсон. Он даже провел предварительное испытание. Но свет от дуговой лампы на обратном пути так сильно ослаблялся дымом и туманом, что от этой идеи пришлось отказаться.

Майкельсон вернулся в Чикаго и в ноябре 1928 года поехал в Вашингтон на юбилейную научную конференцию в Национальном бюро стандартов. Она была созвана Оптическим обществом Америки в честь пятидесятилетия со времени опубликования первой работы Майкельсона (1878 год) о скорости света и в знак признания его огромных заслуг в области оптики. Эта конференция неофициально так и называлась – «майкельсоновская конференция», а сам Майкельсон, разумеется, был на ней почетным гостем.

Заключительная попытка

В следующем году у Майкельсона, которому было в то время семьдесят семь лет, произошло серьезное кровоизлияние в мозг. Он ушел в отставку из университета, много рисовал и ходил пешком, стараясь восстановить пошатнувшееся здоровье. Это было нелегко. Однако он не переставал мечтать о возвращении к исследованию скорости света; он надеялся, что, набравшись сил, проведет еще одно определение. Он вернулся к тому, с чего начинал более пятидесяти лет назад. Он лелеял мысль избавиться от помех в виде тумана, дыма и даже самой прозрачной атмосферы. Он хотел поставить опыт так, чтобы луч проходил через пустоту, если это будет возможно, через почти абсолютный вакуум.

И тут Майкельсон опять получил приглашение в Пасадену. «Хэл сказал, что Маунт-Вильсон и Калтеч – в моем распоряжении, – рассказывал он. – Искушение было слишком велико. Я поехал». Ему были предоставлены все необходимые средства и аппаратура. Фонд Рокфеллера выделил на проведение опыта 30 000 долларов, корпорация Карнеги – 27 500 долларов, а Чикагский университет – 10 000 долларов.

Местом для грандиозного опыта выбрали ранчо Ирвина неподалеку от города Санта Ана в Южной Калифорнии. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов опять было поручено измерение расстояния. Из листов рифленой стали были скатаны гигантские трубы. Состояли они из 18-метровых секций диаметром около метра, склепанных воедино. Получилась труба длиной более 1,5 км. Она обошлась в 50 тысяч долларов. В нее можно было проникнуть через четыре люка – два на концах и два в основной секции трубы. «Сперри джироскоп компани» опять изготовила вращающиеся стальные зеркала – с 8, 16 и 32 гранями. Кроме того, было изготовлено 32-гранное зеркало из первоклассного оптического стекла.

Трубу запаяли и специальными насосами несколько дней и ночей подряд откачивали из нее воздух, пока давление в трубе не опустилось до 0,5 мм рт. ст. (нормальное давление равно 760 мм рт. ст.). Источником света служила дуговая лампа. Многократно отражаясь, свет должен был пройти путь примерно 16 км. Впервые в истории измерение скорости света производилось почти в абсолютном вакууме.

Между тем здоровье Майкельсона оставляло желать лучшего. Он так и не смог оправиться настолько, чтобы собственноручно проводить измерения. Ими занимались Фрэнсис Г. Пиз и Фред Пирсон; они же и сводили воедино результаты. В течение 1930 года и начала 1931 года были проведены сотни наблюдений. Майкельсон руководил работами, лежа в постели. Один он никогда не справился бы с то и дело возникавшими проблемами, требующими немедленного разрешения. Каждый раз, когда что-то портилось в аппаратуре, приходилось пускать в трубу воздух, чтобы можно было туда проникнуть и исправить повреждение. А потом нужно было ждать сорок восемь часов, пока насосы снова откачают воздух. Тепловые волны искажали световое изображение, поэтому большую часть работы приходилось делать ночью, когда становилось прохладно.

В начале 1931 года, когда работа была еще далека от завершения, а Майкельсон как будто оправлялся от последствий болезни, в Пасадене проходила научная конференция, на которой присутствовал Эйнштейн и многие крупные ученые из разных стран. 15 января должен был состояться банкет в честь доктора Эйнштейна и его супруги. Майкельсон, конечно, тоже был приглашен. Чувствовал он себя тогда достаточно хорошо и был очень рад возможности присутствовать на этом торжественном собрании, которое состоялось в только что построенном великолепном здании Афиниума.

Эйнштейн произнес небольшую речь. Поблизости от него сидели крупнейшие ученые – Майкельсон, Милликен, Хэл и другие. «Я рад оказаться в обществе тех, – начал Эйнштейн, – которые в течение многих лет были мне верными товарищами в работе». Затем, повернувшись к Майкельсону, он продолжал: «Вы, уважаемый доктор Майкельсон, начали свои исследования, когда я был еще мальчишкой. Вы открыли физикам новые пути и своими замечательными экспериментами проложили дорогу для теории относительности. Вы вскрыли ошибочность эфирной теории света и стимулировали идеи Лоренца и Фитцджеральда, из которых развилась специальная теория относительности. Без вашей работы эта теория была бы и поныне лишь интересным предположением; она получила первое реальное подтверждение в ваших опытах».

Майкельсон был глубоко взволнован. Это была самая высокая похвала. Он встал, чтобы поблагодарить за столь щедрую оценку его заслуг. Майкельсон редко произносил речи, а когда ему случалось выступать, всегда говорил кратко и по существу. И на этот раз он не изменил себе. Он поблагодарил Эйнштейна от своего имени и от имени своего покойного сотрудника Эдуарда Морли, умершего восемь лет тому назад. Майкельсон никогда не забывал отдать должное своим сотрудникам и помощникам.

Это было последним публичным выступлением Майкельсона. Он попытался вернуться к работе, но 1 марта не смог встать с постели. Начался постепенный паралич, и он стал быстро слабеть. Между тем из Санта Ана поступали все новые данные. Собрав последние силы, Майкельсон медленно, но четко продиктовал Пизу вступление к статье, которая должна была подвести окончательный итог опытам. Эту статью следовало послать для опубликования в «Астрофизикал джорнал».

Состояние Майкельсона продолжало ухудшаться, но он отказывался признать, что серьезно болен. «Мое здоровье налаживается» – оптимистически писал он за сорок восемь часов до того, как впал в бессознательное состояние. Возле него находились жена, одна из дочерей и две сиделки. К ним присоединились Пиз и Пирсон. В двенадцать часов пятьдесят пять минут 9 мая 1931 года Майкельсон тихо скончался, не приходя в себя.

Пастор местной юнионистско-либеральной церкви отслужил у него в доме очень скромную и короткую службу. По просьбе вдовы Майкельсона сообщение о его смерти появилось в печати лишь после похорон. На похоронах присутствовали жена Майкельсона, Эдна, их три дочери – Мадлен, Дороти и Беатрис – и еще несколько родственников и ближайших друзей. Милликен, Хэл и Хэббл вынесли гроб к катафалку. Тело, согласно желанию Майкельсона, было кремировано, и прах развеян по ветру.

Ученые всего мира отмечали его заслуги перед наукой. Эйнштейн узнал о смерти Майкельсона в Англии, где он читал курс лекций в Оксфорде. «Доктор Майкельсон был одним из величайших художников в мире научного эксперимента» – сказал он.

Трое ближайших сотрудников Майкельсона по Чикагскому университету, – Форест Р. Моултон, Генри Дж. Гейл и Гарвей Б. Лемон, знавшие его в течение четверти века, писали в некрологе:

«Его жизнь была великолепным примером целеустремленности, неподвластной превратностям судьбы. Казалось, даже, силы любви, ненависти, ревности, зависти, тщеславия почти не задевали его. Поглощенный научными исследованиями, он в общем довольно безразлично относился к людям в целом, но тем не менее у него были преданные друзья, дружбу которых он бережно хранил... Основным содержанием и целью его жизни были научные занятия, эстетическое наслаждение, получаемое от работы... Ему была чужда спешка, суета. Его не бросало в жар при мысли, что для науки или всего человечества наступил решительный момент. Он не трепетал, стоя на пороге великого открытия...

Он был мягок и спокоен и лишен всякой аффектации, как море в солнечный день – безмятежное, необозримое, неизмеримое... Такой характер можно чувствовать, но нельзя анализировать. Майкельсон никому не открывал своей души, но все понимали, что в глубине ее таится многое, недоступное взорам. Очень мало людей знали его близко».

После смерти Майкельсона работы по измерению скорости света в вакуумной трубе длиной более 1,5 км продолжались еще почти два года. В 1933 году во время землетрясения в Лонг Бич установка оказалась разрушенной, но к этому времени все наблюдения были уже закончены. Всего было сделано 2885 определений. Средняя скорость света в вакууме оказалась равной 299 774 км в секунду. Эта цифра была на 24 км меньше цифры, найденной во время опытов на вершинах двух гор. Международный геофизический и геодезический союз и Международный научный союз по вопросам радио приняли значение скорости света, равное 299 792,5 км в секунду*. Эта цифра лежит в пределах экспериментальной ошибки определения Майкельсона.

Заглавие статьи, содержавшей сообщение о последнем опыте Майкельсона, перекликалось с заглавием его первой работы, опубликованной более чем за полвека до этого, когда он еще был лейтенантом Майкельсоном. Она называлась «О методе измерения скорости света». Последняя работа, озаглавленная «Измерение скорости света в частичном вакууме» [35], явилась завершением великого вклада Майкельсона в науку.

Продолжение поисков

В научных исследованиях не бывает последнего слова или окончательного решения. Если бы Майкельсон пришел сегодня в крупнейшие научные лаборатории мира, он обнаружил бы, что исследователи все еще бьются над теми же проблемами, которые пытались разрешить он и другие ученые его времени. Казавшиеся твердо установившимися научные идеи непрестанно ниспровергаются, заменяются, расширяются или дополняются. Так произошло с законами Ньютона, видоизмененными Эйнштейном. А как обстоит дело со скоростью света – этой постоянной, которую Майкельсон, казалось бы, изловил раз и навсегда? Относительно нее тоже существуют сомнения. Ученые снова и снова подступались к ней с новыми приборами и новыми методами. В 1939 году две группы исследователей – одна в Гарвардском университете, а другая в Германии, – использовав так называемый электронный световой затвор (ячейка Керра), получили несколько различные результаты: 299 798 км/сек в США и 299 799 км/сек в Германии. Два года спустя ученые национального бюро стандартов получили цифру 299 795 км/сек. В 1951 году капитан Береговой и геодезической службы США Карл И. Аслаксон при испытании радарной системы получил величину, равную 299 805 км/сек. Три года спустя группа английских ученых повторила его результат.

Было высказано предположение, что скорость света все же не является постоянной величиной. Некоторые ученые утверждают, что она изменилась, указывая на разницу в результатах измерений, проделанных до второй мировой войны и после нее с промежутком в десять лет. Она составляет приблизительно 16 км в секунду. Профессор Техасского технологического колледжа Дж.Х. Раш считает, что «к этому нельзя относиться с излишней легкостью и объяснять неизбежными техническими погрешностями». Раш считает, что «Новые измерения могут привести к новому открытию». И поиски продолжаются*.

А как обстоит дело с вопросом об эфире? В 1899 году Майкельсон коснулся этой проблемы в своих лоуэлловских лекциях. «Предположим, – сказал он, – что сжатие эфира соответствует электрическому заряду, смещение эфира – электрическому току, эфирные вихри – атомам; если мы продолжим эти предположения, то придем к выводу, который может явиться одним из величайших обобщений современной науки, – что все явления физической Вселенной суть лишь различные выражения многообразных видов движения одного всепроникающего вещества – эфира. Мне представляется, что недалек тот день, когда линии многих, казалось бы, отдаленных областей мысли, наконец, сойдутся на одной общей плоскости. Тогда и природа атома, и характер химической связи атомов, и взаимодействие между ними, и непрерывный эфир, заявляющий о себе через свет и электричество, и структура молекулы, и объяснение сцепления, упругости и притяжения – все это найдет свое место в единой и последовательной системе научного знания».

С тех пор прошло более шестидесяти лет, но пророчество Майкельсона все еще не осуществилось. Свет и другие виды электромагнитного излучения по-прежнему не нуждаются в какой-либо проводящей среде. Идея эфира окончательно отвергнута в значительной степени благодаря гению Майкельсона.