Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Однако только в 1849 году вопрос скорости света спустился с небес на землю. Исследователем, сделавшим это, оказался французский физик Арман Ипполит Луи Физо (1819–1896); он вернулся к принципам Галилея, но попытался устранить элемент человеческой реакции.

В его опыте свет вернулся обратно на вершину его холма с вершины другого, не будучи включенным человеком, а будучи отраженным зеркалом. Более того, испускаемый свет должен был проходить между спицами вращающегося колеса; следовательно, свет был «нарезан» на серию кусочков — получалось что-то вроде пунктирной линии света.

Представим себе поведение такого пунктирного света. Свет движется так быстро, что если бы колесо вращалось с обычной скоростью, то каждый отрезок луча успевал бы долететь до зеркала, отразиться и снова оказаться с первоначальной стороны колеса, прежде чем колесо успело бы сколько-нибудь повернуться. Свет вернулся бы в тот же самый промежуток между спицами, из которого был испущен. Глазу наблюдателя предстал бы настолько часто пульсирующий луч, что он показался бы единым и непрерывным. Более того, свет был бы вполне ярким, потому что почти весь испускаемый свет возвращался бы обратно.

Конечно же последняя часть каждой порции света, часть, которая проскочила между спицами в тот момент, когда спица уже почти перерезала луч, на своем пути обратно наткнется на преграду и будет поглощена. Следовательно, отраженный свет потеряет часть своей силы и будет не таким ярким, каким он был бы, если бы никакого колеса на его пути не было.

Чем быстрее будет вращаться колесо, тем большая доля света будет перекрываться спицами по возвращении и тем тусклее, на взгляд наблюдателя, будет становиться отраженный свет. Наконец, его яркость достигнет минимума, когда свет, выходящий в промежуток между спицами, будет полностью приходиться по возвращении на спицу. Но если вращать колесо еще быстрее, то некоторая часть света будет проходить в следующий промежуток, и свет снова будет становиться ярче. В определенный момент весь свет, проходящий через один промежуток, будет возвращаться через следующий, и яркость света вновь достигнет максимума.

Измеряя скорость вращения колеса во время минимума и максимума яркости и зная расстояние от источника света до зеркала, можно было высчитать скорость света. Результаты Физо были не так точны, как результаты того же Брэдли, но Физо спустил измерение на землю, и для его опытов не требовалось участия небесных тел.

У Физо был товарищ по работе, французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868). Он ввел новшество, еще полнее устранившее фактор человеческой ошибки. В устройстве Физо было все еще необходимо выбирать моменты наивысшей и низшей яркости света. Для этого требовалось суждение человека, а на него нельзя полагаться. Вместо колеса Фуко поставил второе зеркало и заставил его вращаться. Вращающееся зеркало посылало свет на закрепленное зеркало только тогда, когда было повернуто в правильном направлении.

К тому времени, как свет отражался от закрепленного зеркала, вращающееся зеркало немного сдвигалось. Соответственно свет отражался не обратно к закрепленному зеркалу, а под небольшим углом. Этот угол можно было измерить по шкале. Из того, насколько повернулось зеркало, и из расстояния между двумя зеркалами можно было с определенной точностью измерить скорость света, что и было сделано.

И более того, Фуко удалось провести эти измерения и тогда, когда свет проходил под водой, а не в воздухе. Он сделал это в 1850 году и обнаружил, что скорость света в воде была заметно меньше, чем в воздухе. Это вполне соответствовало тому, что предполагал Хайгенс почти два века назад, и противоречило тому, что предполагал Ньютон. Для физиков это стало последним доводом, и больше препятствий для принятия волновой теории света не оставалось.

Скорость света при прохождении его в любой прозрачной среде равна его скорости в вакууме, разделенной на коэффициент преломления (n) среды. Скорость света в вакууме принято обозначать с, от латинского celeritas, что означает «скорость». Тогда можно сказать, что:

Если принять скорость света примерно равной 186 000 миль в секунду, то, поскольку коэффициент преломления воды равен 1,33, скорость света в воде получится равной 186 000/1,33 = = 140 000 миль в секунду. Таким же образом, скорость света в стекле с коэффициентом преломления 1,5 равна 124 000 миль в секунду, в то время как в алмазе, коэффициент преломления которого равен 2,42, скорость света падает до 77 000 миль в секунду.

Вещества, у которого коэффициент преломления был бы меньше единицы, пока не обнаружено, и весь предыдущий опыт говорит о том, что такого вещества не существует. Другими словами, в вакууме свет распространяется быстрее, чем в любой материальной среде.

Со времен Фуко в технологию измерения скорости света было внесено много усовершенствований. В 1923 году американский физик Альберт Абрахам Михельсон (1852–1931) применил усовершенствованный аналог установки Фуко и поставил зеркала на расстоянии 22 миль, измерив это расстояние с точностью до дюйма. Еще позже, в 1931 году, он решил устранить помехи, вызываемые воздухом (во-первых, его коэффициент преломления несколько больше 1, а во-вторых, в нем содержится пыль), выкачав воздух из трубы длиной в милю и установив комбинацию из зеркал таким образом, чтобы луч света отражался в одну и в другую сторону, пока не пройдет в вакууме путь длиной в десять миль.

Последние измерения Михельсона свели погрешность измерения скорости света до плюс-минус десяти миль в секунду, но это не удовлетворило физиков. В 1905 году (как мы еще будем иметь возможность удостовериться позднее), скорость света в вакууме была принята за одну из фундаментальных констант Вселенной, поэтому речи не шло ни о какой передышке в процессе установления точной скорости света. После Второй мировой войны были разработаны еще более тонкие способы измерения скорости света, и, наконец, в 1963 году Национальное бюро стандартов приняло следующее значение для с: 186 281,7 мили в секунду.

Для полной точности они приняли это значение в метрической системе, и в ней по любопытному совпадению скорость света оказалась почти круглым числом: 299 792,8 километра в секунду.

Как вы видите, этому значению чуть-чуть не хватает до 300 000 километров в секунду, или 30 000 000 000 сантиметров в секунду. Это последнее значение можно записать как 3∙10 10см/с.

На этой скорости свет проходит от Луны до Земли за 1¼ секунды, а от Солнца до Земли за 8 минут. За год свет проходит 9 450 000 000 000 километров, или 5 900 000 000 000 миль, и это расстояние называется световой год.

Световой год стал удобной единицей измерения в астрономии, поскольку все объекты вне нашей Солнечной системы отделены от нас столь большими расстояниями, что меньшие единицы измерения для них не годятся. Ближайшие к нам небесные тела, составляющие систему альфы Центавра, находятся от нас на расстоянии в 4,3 светового года, а диаметр нашей Галактики составляет около 100 000 световых лет.