Michelson și viteza luminii

1. ofițer de marină a măsurat viteza luminii

Cu toate acestea, în secolele anterioare, filozofi și oameni de știință au adunat destul de un magazin mare de informații despre proprietățile luminii. 300 de ani înaintea erei noastre, în zilele în care Euclid le-a creat geometria sa, matematicienii greci știau deja foarte multe despre lumina. Este cunoscut faptul că lumina călătorește în linii drepte și că, la reflecție din oglindă plană unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie. savanți antice cunosc bine fenomenul de refracție a luminii. Acesta constă în faptul că lumina care trece dintr-un mediu, cum ar fi aerul, în special densitate medie, cum ar fi apa, este refractată.

Klavdiy Ptolemey, un astronom și matematician din Alexandria, a fost un tabel al unghiurilor măsurate de incidență și refracție, dar legea refractie a fost descoperit abia în 1621 de matematicianul olandez din Leiden Villebrordom Snell, care a constatat că raportul dintre sinusul unghiului de incidență și unghiul de refracție este constantă pentru două medii densități diferite.

Mulți filozofi antici, inclusiv Aristotel și marele om de stat roman Lutsiy Seneka, întrebat despre cauzele curcubeului. Aristotel credea că culorile afișate de reflexia luminii de către picăturile de apă; aproximativ aceeași părere, și Seneca, crezând că norul format din particule de umiditate, sunt un fel de oglindă. Oricum, omul de-a lungul istoriei sale au manifestat un interes în natura luminii, după cum reiese din mituri, legende, argumente filosofice și observații științifice existente.

La fel ca majoritatea cercetătorilor vechi (cu excepția Empedocle), Aristotel credea că viteza luminii este infinită. Ar fi surprinzător dacă el a crezut altfel. După o astfel de viteză enormă nu poate fi măsurată prin oricare dintre metodele sau dispozitivele existente la momentul respectiv. Dar, în vremurile din urmă, oamenii de știință au continuat să speculeze și argumenteze cu privire la aceasta. acum 900 de ani, savantul arab Avicenna și-a exprimat sugerat că, deși viteza luminii și este foarte mare, acesta trebuie să fie o cantitate finită. O astfel de asemenea, a fost opinia unuia dintre contemporanii săi, fizicianul arab Alhazen, care a explicat mai întâi natura amurg. Nici una, nici alta, desigur, nu au fost în măsură să confirme opinia lor experimental.

experienţa Galileo

Galileo a vorbit trei interlocutori. În primul rând, Sagredo, întreabă: „Dar ce fel de viteză și cât de mult ar trebui să-l miște? Ar trebui să-l ia în considerare o clipă sau de a lua timp, la fel ca toate celelalte mișcări?“. Simplicio, retrograd, apoi răspunde: „Experiența zilnică arată că lumina de la flacăra de fotografii, fără nici o pierdere de timp este imprimat în ochiul nostru, spre deosebire de sunetul care ajunge la ureche printr-o perioadă semnificativă de timp.“ Sagredo-l pe bună dreptate a obiectat: „Această experiență bine-cunoscut nu pot trage nici o altă concluzie decât că sunetul ajunge la urechile noastre la intervale mai lungi, mai degrabă decât lumina.“

Aici intervine Salviati (exprimă opiniile Galileo), „lipsa de putere de convingere a acestora și a altor observații similare au condus-mi să se gândească la orice modalitate de a se asigura fără erori în această lumină, care este, propagarea luminii, face foarte repede. Experiența pe care am venit cu este după cum urmează. Două persoane dețin fiecare foc, un prizonier într-o lanternă sau ceva de genul asta, care poate deschide și mișcarea strânsă a mâinii în fața unui tovarăș; devenind unul pe altul „în câteva coturi, participanții încep să practice deschiderea și închiderea foc înaintea unui companion, astfel încât de îndată ce o vede lumina alteia, astfel încât odată ce a deschis și a lui. Am reușit să-l doar o mică distanță face - mai putin de o mila, - de ce nu am putut fi sigur dacă apariția luminii opusă a avut loc de fapt imediat. Dar, dacă nu se întâmplă o dată, dar în orice caz, cu o rapiditate extremă. "

Apoi, disponibil în dispoziția Galileo, desigur, nu a permis atât de ușor pentru a rezolva această problemă, și el este destul de conștient de acest raport. Controversa a continuat. Robert Boyle, celebrul om de știință irlandez, care a dat primele anumite elemente chimice corecte, a crezut că viteza luminii este finită, iar celălalt un geniu al secolului al XVII-lea, Robert Guk credea că viteza luminii este prea mare, astfel încât aceasta poate fi determinată experimental. Pe de altă parte, astronomul Iogann Kepler și matematician Rene Dekart Aristotel punct de vedere a avut loc.

moon, Roemer și a lui Jupiter

Prima încălcare în acest zid a fost spart în 1676. Sa întâmplat în bine-cunoscut, ca din întâmplare. problemă teoretică, așa cum de multe ori sa întâmplat în istoria științei, a fost rezolvată în cursul unei probleme pur practice. Nevoile importanța extinderii comerțului și creșterea a determinat maritim al Academiei Franceze de Științe pentru a face un rafinament de hărți, care, în special, este nevoie de o metodă mai sigură de determinare longitudine. Longitudine este definită printr-un mod destul de simplu - de diferența de timp în cele două părți diferite ale globului, dar nu a fost încă în măsură să facă ceas destul de precisă. Oamenii de știință au propus să folosească pentru a determina timpul și timpul de la Paris la bordul unor fenomene ceresc care se observă zilnic în aceeași oră. Conform acestui fenomen Explorer sau geograf ar putea pune ceasul și să învețe timp la Paris. Un astfel de fenomen, vizibil din orice locație de pe mare sau pe uscat, este eclipsa unuia dintre cele patru sateliți mari de Jupiter descoperite de Galileo în 1609.

Printre oamenii de știință implicați în această problemă, a existat un tânăr astronom danez Ole Roemer, cu patru ani înainte de invitația astronomul francez Jean Picard să lucreze în noul Observatorului din Paris.

Ca și alte astronomilor timp Roemer cunoscut faptul că perioada dintre două eclipse cel mai apropiat de satelit Jupiter variază în timpul anului; observații din același punct, separate pentru o perioadă de șase luni, da diferența maximă în 1320 secunde. Aceste 1320 secunde erau astronomi nedumerit, și nimeni nu le-ar putea găsi o explicație satisfăcătoare. Se pare că a existat o anumită relație între perioada orbitala a satelitului și poziția Pământului pe o orbită în raport cu Jupiter. Și aici Römer, verifica temeinic toate aceste observații și calcule, dintr-o dată a rezolvat doar enigma.

Römer a admis că 1320 secunde (sau 22 minute) - acesta este timpul necesar luminii să călătorească distanța de la cel mai apropiat de poziția Jupiter a Pământului într-o orbită într-o poziție mai îndepărtată de la Jupiter, în cazul în care Pământul este de șase luni. Cu alte cuvinte, distanța suplimentară parcursă de lumina reflectată de satelit Jupiter egal cu diametrul orbitei Pământului (Fig. 1).

Fig. 1. Schema Roemer raționament.
Tratamentul Perioada cea mai apropiată de satelit Jupiter este de aproximativ 42.5 oră. Prin urmare, satelitul trebuie sa fie testati Jupiter (sau în afara eclipsă de bandă) la fiecare 42,5 ore. Dar în șase luni, când Pământul se deplasează departe de Jupiter, eclipsa a avut loc de fiecare dată cu întârziere mai mult în comparație cu calendarul prezis. Roemer a concluzionat că lumina nu se propagă instantaneu, dar are o viteză finită; astfel încât este nevoie de mai mult timp pentru a ajunge pe Pământ, așa cum se mișcă în orbita sa în jurul soarelui, departe de Jupiter.

În zilele de diametru Roemer orbitei Pământului a fost considerată a fi de aproximativ 182 milioane mile (292 milioane km). Împărțind această distanță de 1320 secunde, Roemer a fost că viteza luminii este de 138.000 mile (222.000 de kilometri pe secundă).

Mai mult decât atât, prima încercare Römer a primit ordinea corectă de mărime. Dacă luăm în considerare faptul că oamenii de știință sunt încă angajate în clarificarea diametrul orbitei și calendarul eclipselor sateliților lui Jupiter Pământului, eroarea Roemer va veni ca o surpriză. Acum știm că întârzierea maximă de 22 de minute nu va eclipsa satelitul așa cum credea Roemer, iar aproximativ 16 minute 36 secunde, iar diametrul orbitei Pamantului nu este aproximativ egală cu 292 de milioane de kilometri și 300 de milioane de km. Dacă face aceste modificări la Roemer calculat, se dovedește că viteza luminii este de 300.000 de kilometri pe secundă, iar rezultatul este aproape de cele mai precise date obținute de oamenii de știință din timpul nostru.

Roemer a arătat că, deși viteza luminii și este foarte mare, este totuși finită și poate fi măsurat. Cu toate acestea, aduce un omagiu la realizarea Römer, unii oameni de știință nu au fost încă pe deplin multumiti. Măsurarea vitezei luminii prin metoda sa pe baza observațiilor astronomice și a necesitat o lungă perioadă de timp. De asemenea, ei doresc să se măsoare în laborator mijloace pur pământești, fără a trece dincolo de limitele planetei noastre, astfel încât toate condițiile de testare sunt sub control. A reușit fizicianul francez Marin Marsenn, un contemporan și prieten al lui Descartes, în urmă cu treizeci și cinci de ani pentru a măsura viteza sunetului. De ce nu se poate același lucru se face cu lumina?

Prima măsurare a mijloacelor de pământ

Fig. 2. Instalarea Fizeau.
După 174 de ani după Roemer a calculat viteza luminii din observarea eclipsează Jupiter prin satelit Fizeau construit un dispozitiv pentru măsurarea vitezei luminii în condiții de teren. Cremalieră C a rupt o rază de lumină să clipească. Fizeau timpul măsurat în timpul căreia lumina trece o distanță de la C la A și din spate oglinzi egal cu 17,32 km. Slăbiciunea acestei metode a fost acel moment de mare strălucire determinată de ochiul observator. Aceste observații subiective nu sunt suficient de precise.

Atunci când roata dințată este nemișcat și se află în poziția inițială, observatorul poate vedea lumina de la sursă prin spațiul liber dintre doi dinți. Apoi, roțile sunt conduse cu creșterea vitezei, și avansarea un timp când un puls de lumină care trece prin spațiul dintre dinți, întorcându-se, reflectată de oglinda și A. întârziat dinte. În acest caz, observatorul nu a văzut nimic. La o rotire suplimentară a accelerației roții dințată a reapărut lumina devine mai luminoasă, iar în cele din urmă a ajuns la o intensitate maximă. Cremalieră, aplicat Fizeau a fost dinții 720, iar intensitatea maximă a luminii a ajuns la 25 de rotații pe secundă. Pe baza acestor date urmează Fizeau viteza calculată a luminii. Lumina trece distanța între oglinzi și înapoi în timp, până când se întoarce roata de la o perioadă la alta între dinți, adică pentru 1/25 × 1/720. care este 1/18000 secunde. Distanța parcursă este egală cu de două ori distanța dintre oglinzi, adică 17,32 kilometri. Prin urmare, viteza luminii este egală cu 17,32 · 18 000, sau aproximativ 312 000 km pe secundă.

îmbunătățirea Foucault

Când Fizeau a anunțat rezultatul măsurătorilor lor, oamenii de știință au pus la îndoială autenticitatea acestei cifre colosale, potrivit căreia lumina vine de la Soare pe Pământ în 8 minute și poate zbura în jurul Pământului într-o optime de secundă. Se pare incredibil că un om a fost capabil să măsoare o astfel de viteză enormă astfel de instrumente primitive. Lumina călătorește mai mult de opt kilometri între oglinzile Fizeau 1/36000 secunde? Nu este posibil, mulți au spus. Cu toate acestea, cifra obținută prin Fizeau, a fost foarte aproape de rezultatul Römer. Este puțin probabil ca acest lucru ar putea fi o coincidență.

Treisprezece ani mai târziu, când scepticii erau încă se îndoiesc si lasa remarcile ironice Léon Foucault, fiul unui editor parizian, unul fiind pregătit pentru a deveni un medic a determinat viteza luminii într-un mod diferit. El a lucrat timp de mai mulți ani cu Fizeau și o mulțime de gândire cu privire la modul de îmbunătățire a experienței sale. În loc de viteze Foucault a folosit o oglindă rotativă.

Foucault sa bucurat de o reputație ca un cercetător talentat. În 1855 a fost distins cu medalia kopleyskaya British Royal Society pentru experiența sa cu pendulul, care a fost dovada de rotație a Pământului în jurul axei sale. El a construit, de asemenea, primul giroscop, potrivit pentru utilizarea practică. Schimbare în treapta de experiment oglinda rotativ Fizeau (această idee a fost propusă în 1842 de Domenico Arago, dar nu a fost efectuat), a făcut posibilă scurtarea traseului parcurs de fasciculul de lumină, cu mai mult de 8 km la 20 m. Oglinda de rotație (fig. 3) deviază fasciculul de întoarcere la un unghi mic, care să permită să efectueze măsurătorile necesare pentru a calcula viteza luminii. Rezultatul obținut prin Foucault, a fost de 298,000 km / s, adică, aproximativ 17 000 km mai puțin decât valoarea obținută prin Fizeau. (Într-un alt experiment Foucault plasat între oglinzi reflectorizante și țeava rotativă cu apă pentru a determina viteza de propagare a luminii în apă. Sa ​​constatat că viteza luminii în aer mai mult.)