4.1 Швидкість світла та її вимірювання. Дослід А.Майкельсона

Вперше швидкість світла оцінив датський астроном Ремер у 1676 р. із спостережень затемнення супутника Юпітера. Запізнення, порівнюючи з розрахованим, моменту виходу супутника із затемнення через півроку зумовлене збільшенням шляху світла до Землі на довжину діаметра її орбіти. Було одержане величезне, але кінцеве значення 215 000 км/с.

У 1727 р. англ. астроном Бредлі визначив швидкість світла по явищу аберації – зміна напрямку поширення світла при переході від однієї системи відліку до іншої, напрямок руху яких не співпадає з напрямком поширення світла. В астрономії це приводить до того, що положення зірок на небі змінюється із-за руху спостерігача разом із Землею. Спостереження Бредлі (рис. 4.1) показали, що за рік зображення зірки в полі зору телескопа описувало коло з кутом зору 40,9. Знаючи орбітальну швидкість Землі і довжину труби телескопа, Бредлі одержав 303 000 км/с.
В земних  швидкість світла вперше виміряв у 1849 р. франц. фізик А.Фізо (1819-1896) при допомозі зубчатого колеса, яке оберталось (рис.4.2). Промінь світла відбивається від напівпрозорого дзеркала З1,

проходить через проміжок між зубами колеса і відбившись від віддаленого на відстань  = 8,6 км другого дзеркала З2, повертається назад. Якщо за час  проходження світлом відстані  2ℓ зубчате колесо повернеться на цілу кількість зубів N, відбитий промінь проходить через інший проміжок і потрапляє в око спостерігачеві. Послідовно збільшуючи кутову швидкість обертання колеса, фіксуються ті її значення ωN, при яких промінь стає видимим. При цьому N = 1, 2, 3,… Швидкість світла знаходиться за формулою

Фізо одержав 313 000км/с.

У другій половині ХІХ ст.. Д.Максвелл показав, що світлові хвилі є електромагнітні хвилі, для поширення яких не потрібен ніякий світоносний ефір. Але концепція ефіру, в якому поширюється світло, була настільки „живучою”, що вчені почали вести мову про електромагнітний ефір. З цим ефіром деякі фізики зв’язували систему відліку, якій надавали особливу перевагу. Ряд вчених сприймали ефір нерухомим, інші ж вважали, що він захоплюється рухомими тілами, наприклад при орбітальному русі Землі, створюючи „ефірний вітер”, який впливає на швидкість і напрямок поширення світла. Отже, в кінці ХІХ ст. постало питання про експериментальне виявлення ефіру.

Перший такий експеримент виконав у 1881 р. польський фізик А.Майкельсон (1852-1931). Ідея досліду дуже проста – виявити різницю швидкостей світла при його поширенні в напрямку орбітального руху Землі і в протилежному, або в будь-якому іншому напрямку. Якщо ефір і ефірний вітер існують, то зрозумілою що ці швидкості повинні бути різними. Для виявлення різниці швидкостей використовувалось явище інтерференції – оптична різниця ходу повинна виникати за рахунок різної швидкості світлових хвиль.

Схема двопроменевого інтерферометра Майкельсона показана на рис.4.3. Від джерела світла S промінь падає на напівпрозоре дзеркало НЗ і розділяється на два: 1-ий відбивається від лицевої поверхні і в перпендикулярному напрямку іде до дзеркала З1; 2-ий, заломлюючись як на плоско паралельній пластинці, проходе і іде в тому ж напрямку до дзеркала З2.  Відстань до дзеркал  (оптичні плечі) дорівнювала приблизно 11 м. Після відбиття від дзеркал промені повертаються до напівпрозорого дзеркала. Тепер промінь 1, заломлюючись, проходить через нього, а промінь 2 відразу відбивається і накладається на перший. На екрані Е виникає інтерференційна картина. При повороті інтерферометра напрямок поширення світла в його плечах відносно напрямку ефірного вітру, якщо він є і впливає на швидкість світла, зміниться. Зміниться оптична різниця ходу променів і інтерференційна картина. Експеримент же показав, що інтерференційна картина не змінюється. Такий же результат був одержаний у 1964 р. з використанням лазерного променя, що підвищило точність експерименту приблизно в 50 разів.

Таким чином була доведена відсутність ефіру, а також зроблений висновок про однаковість швидкості світла у вакуумі для всіх інерціальних  систем відліку незалежно від стану їхнього руху. Так виникло протиріччя між цим твердженням і принципом відносності. Це протиріччя розв’язав у 1905 р. нім. фізик А.Ейнштейн (1879-1955).

Щоб закінчити питання про швидкість світла, відмітимо, що вона була визначена у 1972 р. із незалежних вимірів довжини хвилі і частоти світла гелій-неонового лазера. Довжину хвилі визначали по еталону випромінювання оранжевої лінії криптону-86, а частоту порівнювали з квантовими переходами атома цезію-133. Одержане значення (299 792 458 ± 1) м/с.

You must be logged in to post a comment.

Фізика