Как определили скорость света


Каждый кто не прогуливал уроки физики в школе, знает, что свет распространяется с конечной скоростью, которая равна чуть меньше, чем 300 000 км/с. Однако знали это люди не всегда. В этой статье мы расскажем о том, как люди смогли понять, что свет распространяется не мгновенно и как смогли точно измерить эту скорость.

Как измерять скорость света?

Учёные древнего мира и средних веков считали, что свет распространяется мгновенно. Аристотель, бывший для средневековых учёных непререкаемым авторитетом считал, что скорость света бесконечно велика. Ему вторили его многочисленные последователи. Первым учёным, который решил проверить так ли это на самом деле был Галилео Галилей.

Эксперимент Галилея

В 1600-м году он поставил опыт, при котором два человека стоя на удалённых друг от друга возвышенностях будут поочерёдно светить друг другу фонарями со специальными заслонками. На основании этого опыта Галилей пришел к выводу, что скорость света либо бесконечна, либо очень высока и не поддается измерению с помощью приборов того времени.

Галилео Галилей

Еще долгое время учёные никак не могли подступиться к проблеме измерения скорости света. Некоторые учёные считали скорость света бесконечной (Иоганн Кеплер, Рене Декарт, Пеьер де Ферма), некоторые — конечной, но слишком большой для измерения экспериментально (Роберт Бойль, Роберт Гук).

Который час?

Открытие конечности скорости света было сделано во многом случайно, как побочный результат решения совсем другой задачи. В эпоху великих географических открытий для успешной навигации в океане для моряков крайне важно было уметь определять географические координаты корабля и если с определением широты особых проблем не было: широта довольно точно определялась по положению полярной звезды над горизонтом, то с долготой вышла заминка.


Корабли 17-го века

Для определения долготы необходимо знать местное время и сравнить его со временем на нулевом меридиане и с этим были проблемы. Сейчас не составляет труда взять с собой часы, время которых совпадает с Гринвичем, но в те времена это было затруднительно. Маятниковые часы на корабле из-за качки мгновенно приходили в негодность и выходя в море моряки теряли возможность сравнивать своё время с Гринвичем.

Проблема была настолько актуальна, что британский парламент учредил небывалый по тем временам приз в 20 000 фунтов стерлингов. С учётом инфляции сейчас эта сумма составила бы около полутора миллионов фунтов стерлингов.


Источник: zen.yandex.ru

Cкорость света

Cкорость света

Скоростью света называют расстояние, которое свет проходит за единицу времени. Эта величина зависит от того, в каком веществе распространяется свет.

В вакууме скорость света равна 299 792 458 м/с. Это наивысшая скорость, которая может быть достигнута. При решении задач, не требующих особой точности, эту величину принимают равной 300 000 000 м/с. Предполагается, что со скоростью света в вакууме распространяются все виды электромагнитного излучения: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. Обозначают её буквой с.

Как определили скорость света


Cкорость света

В античные времена учёные считали, что скорость света бесконечна. Позднее в учёной среде начались дискуссии по этому вопросу. Кеплер, Декарт и Ферма были согласны с мнением античных учёных. А Галилей и Гук полагали, что, хотя скорость света очень велика, всё-таки она имеет конечное значение.

Cкорость света

Галилео Галилей

Одним из первых скорость света попытался измерить итальянский учёный Галилео Галилей. Во время эксперимента он и его помощник находились на разных холмах. Галилей открывал заслонку на своём фонаре. В тот момент, когда помощник видел этот свет, он должен был проделать те же действия со своим фонарём. Время, за которое свет проходил путь от Галилея до помощника и обратно, оказалось таким коротким, что Галилей понял, что скорость света очень велика, и на таком коротком расстоянии измерить её невозможно, так как свет распространяется практически мгновенно. А зафиксированное им время показывает всего лишь быстроту реакции человека.


Впервые скорость света удалось определить в 1676 г. датскому астроному Олафу Рёмеру с помощью астрономических расстояний. Наблюдая с помощью телескопа затмения спутника Юпитера Ио, он обнаружил, что по мере удаления Земли от Юпитера каждое последующее затмение наступает позже, чем было рассчитано. Максимальное запаздывание, когда Земля переходит на другую сторону от Солнца и удаляется от Юпитера на расстояние, равное диаметру земной орбиты, составляет 22 часа. Хотя в то время точный диаметр Земли не был известен, учёный разделил его приблизительную величину на 22 часа и получил значение около 220 000 км/с.

Cкорость света

Олаф Рёмер

Результат, полученный Рёмером, вызвал недоверие у учёных. Но в 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора. В его опыте свет от источника проходил между зубьями вращающегося колеса и направлялся на зеркало. Отражённый от него, он возвращался назад. Скорость вращения колеса увеличивалась. Когда она достигала какого-то определённого значения, отражённый от зеркала луч задерживался переместившимся зубцом, и наблюдатель в этот момент ничего не видел.

Cкорость света

Опыт Физо


Физо вычислил скорость света следующим образом. Свет проходит путь L от колеса до зеркала за время, равное t1 = 2L/c. Время, за которое колесо делает поворот на ½ прорези, равно t2 = T/2N, где Т — период вращения колеса, N — количество зубцов. Частота вращения v = 1/T. Момент, когда наблюдатель не видит света, наступает при t1 = t2. Отсюда получаем формулу для определения скорости света:

с = 4LNv

Проведя вычисления по этой формуле, Физо определил, что с = 313 000 000 м/с. Этот результат был гораздо точнее.

Cкорость света

Арман Ипполит Луи Физо

В 1838 г. французский физик и астроном Доминик Франсуа Жан Араго́ предложил использовать для вычисления скорости света метод вращающихся зеркал. Эту идею осуществил на практике французский физик, механик и астроном Жан Берна́р Лео́н Фуко́, получивший в 1862 г. значение скорости света  (298 000 000±500 000) м/с.

Cкорость света


Доминик Франсуа Жан Араго

В 1891 г. результат американского астронома Са́ймона Нью́кома оказался на порядок точнее результата Фуко. В результате его вычислений с = (99 810 000±50 000) м/с.

Исследования американского физика Альберта Абрахама Майкельсона, использовавшего установку с вращающимся восьмигранным зеркалом, позволили ещё точнее определить скорость света. В 1926 г. учёный измерил время, за которое свет проходил расстояние между вершинами двух гор, равное 35,4 км, и получил с =  (299 796 000±4 000) м/с.

Наиболее точное измерение было проведено в 1975 г. В этом же году Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала считать скорость света, равной 299 792 458 ± 1,2 м/с.

Источник: ency.info

Как определили скорость света


Кто открыл скорость света? Когда это было обнаружено? Как это было рассчитано или выведено?

Ученые пытаются изучать скорость света со времен древних греков. Большинство древнегреческих астрономов считали, среди прочего, что скорость света была практически бесконечной. Однако у них не было возможности проверить это обоснованное предположение.

Тем не менее, как правило, считалось само собой разумеющимся, что скорость света была бесконечной, пока астроном Галилей в начале 1600-х годов пытался измерить скорость света, используя дальние фонари с жалюзи, которые помощник открывал в указанное время.Галилей пытался записать, сколько времени требуется свету, чтобы добраться до него через поле, на котором проводился эксперимент.

Его единственным выводом было то, что скорость света была слишком быстрой, чтобы ее можно было измерить с помощью этого эксперимента. (На самом деле, исходя из того, что мы теперь знаем о скорости света, мы можем сказать, что если бы Галилей и его помощник стояли на расстоянии примерно в одну милю, свету понадобилось бы всего пять микросекунд — пять миллионных долей секунды — чтобы добраться от Галилея его помощнику. Это было слишком мало, чтобы быть измеренным с технологией того времени.)

Первое истинное измерение скорости света было сделано в 1676 году человеком по имени Оле Ремер (Rømer). Ремер наблюдал спутник Юпитера Ио, самый внутренний из Галилейских спутников. Как заметил наблюдатель на Земле, Ио внезапно исчезает, когда движется в тень Юпитера, и внезапно появляется, когда выходит из тени Юпитера (обратно в солнечный свет).


Ремер был заинтересован в том, чтобы предсказать, когда Ио появится из тени Юпитера. Его целью было использовать эти наблюдения для более точного определения орбитального периода Ио; он изначально не пытался определить скорость света.

Ремер заметил, что время между затмениями Ио стало короче, когда Земля приблизилась к Юпитеру, и стало длиннее, когда Земля и Юпитер разошлись. Он понял, что расхождения между наблюдаемым и рассчитанным временем появления Ио могут быть объяснены конечной скоростью света. Поскольку в ходе наблюдений Ремера Земля удалялась от Юпитера, отраженному свету от Ио потребовалось бы немного больше времени, чтобы достичь Земли, и это повлияло бы на точное время, в которое наблюдалось появление Ио из тени Юпитера.

Основываясь на этих наблюдениях, Ремер подсчитал, что потребуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Объединение этого значения с более ранними измерениями большой полуоси Земли (орбитального радиуса) дает скорость света около 210 000 километров в секунду. Это примерно на 30% ниже, чем современное значение для скорости света, но, учитывая ее древность, метод измерения и неопределенность 17-го века в точных размерах планетарных орбит, это значение удивительно близко к современному значению в 299 792 458 километров в секунду.

Источник: new-science.ru

Немного истории. Как измеряли скорость света


Большинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.

Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.

Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.

Опыт Майкельсона по определению скорости света

Опыты продолжались с 1924 по 1927 год и состояли из 5 серий наблюдений. Суть эксперимента заключалась в следующем. На горе Вильсон в окрестностях Лос-Анжелеса были установлены источник света, зеркало и вращающаяся восьмигранная призма, а через 35 км на горе Сан-Антонио – отражающее зеркало. Вначале свет через линзу и щель попадал на вращающуюся с помощью высокоскоростного ротора (со скоростью 528 об/сек.) призму.

Участники опытов могли регулировать частоту вращения таким образом, чтобы изображение источника света было четко видно в окуляре. Поскольку расстояние между вершинами и частота вращения были известны, Майкельсон определил величину скорости света – 299796 км/сек.

Окончательно со скоростью света ученые определились во второй половине XX века, когда были созданы мазеры и лазеры, отличающиеся высочайшей стабильностью частоты излучения. К началу 70-х погрешность в измерениях снизилась до 1 км/сек. В результате по рекомендации XV Генеральной конференции по мерам и весам, состоявшейся в 1975 году, было решено считать, что скоростью света в вакууме отныне равна 299792,458 км/сек.

Достижима ли для нас скорость света?

Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?

Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.

Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.

По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации. Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.

Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.

Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.

Источник: www.techcult.ru

Географические координаты — это две числовые величины — широта и долгота. С широтой все относительно просто: надо измерить высоту над горизонтом какого-то известного нам светила. В Северном полушарии это, скорее всего, будет Полярная звезда, в Южном — одна из звезд Южного Креста. Днем широту можно определить по Солнцу, но погрешность при этом существенно больше — светило имеет довольно большой размер, за ним сложно следить из-за яркости, а границы его видимого диска размываются под действием земной атмосферы. Тем не менее, это относительно несложная задача.

Который час

С долготой гораздо заковыристее. Земля вращается вокруг своей оси, и узнать, где мы находимся, можно, зная точное время в этой точке и время в каком-то месте, долгота которого нам известна. В литературе обычно пишут «нулевой меридиан», это, в общем-то, правильно, поскольку речь идет о том же самом. Если с местным временем все достаточно просто, то с нулевым меридианом гораздо сложнее.

Часов, способных показывать точное время того места, откуда их увезли, в эпоху Великих географических открытий еще не было. Тогда высокоточной техникой считался часовой механизм, оснащенный минутной стрелкой. Первые хронометры, пригодные для определения долготы, появились в середине XVIII века, а до этого мореплавателям приходилось обходиться без них.

Географическая долгота

Самым старым теоретически проработанным способом был метод лунных расстояний, предложенный немецким математиком Иоганном Вернером в 1514 году. Он основывался на том, что Луна довольно быстро движется по ночному небосводу и, измеряя при помощи специального прибора — поперечного жезла — ее смещение относительно каких-то известных звезд, можно установить время. Практическая реализация метода Вернера оказалась очень сложной, и в навигации он заметной роли так и не сыграл.

В 1610 году Галилео Галилей открыл четыре наиболее крупных спутника Юпитера. Это было важным научным событием — в пределах возможностей тогдашней наблюдательной астрономии отыскалось еще одно, помимо Земли, небесное тело, вокруг которого вращались собственные спутники. Но самым важным для современников было то, что движение этих спутников можно было одновременно и одинаково наблюдать из всех точек Земли, где в этот момент виден Юпитер.

Галилео Галилей Галилео Галилей

Уже в 1612 году Галилей предложил определять точное время, а значит — и долготу, по движению Ио, одного из четырех спутников Юпитера. Он имеет много замечательных особенностей, о которых Галилей, конечно, не знал, но, самое главное, — его относительно несложно наблюдать. Выясняя, когда он вошел в тень планеты, можно было точно установить время. Но первые же попытки составить таблицы затмений Ио (и других галилеевых спутников) выявили, что это время непостижимым для науки той эпохи образом смещалось. Причины оставались непонятными три четверти века.

Сын купца

Оле Рёмер (Ole Christensen Rømer) родился в семье датского купца в 1644 году. Сведения о его молодости отрывочны — он не был родовит, а персональная известность к нему придет существенно позже. Известно, что он окончил Копенгагенский университет, и, видимо, был заметен интеллектом. В 1671 Рёмер переехал в Париж, стал сотрудником Кассини и очень скоро был избран в Академию наук — тогда это собрание ученых людей было менее элитарным, чем впоследствии.

Оле Рёмер Оле Рёмер

Под конец века он вернулся в Данию, продолжал быть практикующим астрономом и умер там в 1710 году. Но это все будет потом.

Она конечна!

А в 1676 году он предложил незамысловатые, по нынешним временам, вычисления, обессмертившие его имя. Суть дела проста. Юпитер находится от Солнца примерно впятеро дальше, чем Земля. Один оборот вокруг Солнца он совершает примерно за 12 земных лет (мы округляем цифры для простоты). Это значит, что за полгода с небольшим расстояние от Юпитера до Земли изменится примерно на треть. И это более-менее соответствует наблюдаемой разнице времен затмений галилеевых спутников.

Ио Ио в наши дни

Нам сейчас очень несложно понять логику этого рассуждения, но в XVII веке было принято думать, что скорость света бесконечна. А Рёмер предположил, что это не так. По его расчетам, скорость света была равна примерно 220 тысячам километров в секунду, что на четверть ниже значения, установленного в наши дни. Но для XVII века это было, по меньшей мере, неплохо.

Потом выяснится, что все не так просто, и через два века Лаплас учтет гравитационное влияние спутников друг на друга, но это уже совсем другая история.

Существенной роли в географических открытиях идея Рёмера не сыграла. Наблюдать спутники Юпитера в телескоп, установленный на борту корабля, было, из-за качки, практически невозможно. А в середине XVIII века были разработаны первые хронометры, пригодные для определения долготы.

Источник: www.PopMech.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.