Меню

Измерение скорости света 1676



Как измерили скорость света

Скорость света c в вакууме не измерена. Она имеет точную фиксированную величину в стандартных единицах. По международному соглашению 1983 года метр определяется как длина пути, проходимая светом в вакууме за время 1/299792458 секунды. Скорость света в точности равна 299792458 м/с. Дюйм определён, как 2.54 сантиметра. Поэтому в неметрических единицах скорость света тоже имеет точное значение. Такое определение имеет смысл только потому, что скорость света в вакууме константа, а этот факт должен быть подтверждён экспериментально (см. Постоянна ли скорость света? ). Также экспериментально нужно определять скорость света в средах, таких как вода и воздух.

До семнадцатого века считалось, что свет распространяется мгновенно. Это подтверждали наблюдения лунного затмения. При конечной скорости света должна быть задержка между положением Земли относительно Луны и положением земной тени на поверхности Луны, но такой задержки не обнаружено. Сейчас мы знаем, что скорость света слишком велика, чтобы заметить задержку. Галилей сомневался в бесконечности скорости света. Он предложил способ её измерения путём закрывания и открывания фонаря расположенного на расстоянии в несколько миль. Неизвестно, пытался ли он провести такой эксперимент, но из-за очень большой скорости света измерение не могло быть удачным.

Первое успешное измерение величины c выполнил Олаф Ремер в 1676 году. Он заметил, что время между затмениями спутников Юпитера меньше, когда расстояние от Земли до Юпитера уменьшается, и больше, когда это расстояние увеличивается. Он понял, что это получается из-за изменения времени, которое нужно свету, чтобы пройти от Юпитера до Земли при изменении расстояния между ними. Он рассчитал, что скорость света равна 214000 км/с. Неточность объясняется тем, что расстояния между планетами в то время не были ещё хорошо определены.

В 1728 году Джеймс Брэдли оценил величину скорости света, наблюдая аберрацию звёзд (изменение видимого положения звезды, вызванное движением Земли вокруг Солнца). Он наблюдал одну из звезд в созвездии Дракона, и обнаружил, что её видимое положение изменяется в течение года. Этот эффект работает для всех звёзд, в отличие от параллакса, который заметнее для ближних звёзд. Аберрация аналогична влиянию движения на угол падения капель дождя. Если вы стоите, и нет ветра, то капли падают вертикально вам на голову. Если вы побежите, то окажется, что дождь идёт под углом и попадает вам в лицо. Брэдли измерил этот угол для света звёзд. Зная скорость движения Земли вокруг Солнца, он определил, что скорость света равна 301000 км/с.

Первое измерение c на Земле выполнил Арман Физо в 1849 году. Он использовал отражение света от зеркала, удалённого на расстояние 8 км. Луч света проходил через зазор между зубчиками быстро вращающегося колеса. Скорость вращения увеличивали, пока отражённый луч не становился виден в следующем зазоре. Рассчитанная величина c получилась равной 315000 км/с. Через год Леон Фуко улучшил этот метод, используя вращающееся зеркало, и получил гораздо более точное значение 298000 км/с. Улучшенный метод был достаточно точен, и с его помощью определили, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе.

После того, как Максвелл опубликовал свою теорию электромагнетизма, стало возможно определять скорость света косвенно по значениям магнитной и электрической проницаемости. Первыми это сделали Вебер и Кольрауш в 1857 году. В 1907 году Роза и Дорси таким же способом получили 299788 км/с. В то время это было самое точное значение.

В дальнейшем дополнительные меры применялись для повышения точности. Например, учитывали коэффициент преломления света в воздухе. В 1958 Фрум получил значение 299792.5 км/с, используя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор Керра. После 1970 года с использованием лазера с высокой стабильностью спектра и точных цезиевых часов стали возможны ещё более точные измерения. До этого времени точность эталона метра была выше, чем точность измерения скорости света. И вот скорость света стала известна с точностью плюс-минус 1 м/с. Теперь стало более практично в определении метра использовать скорость света. Эталон расстояния в 1 метр сейчас определяется с использованием атомных часов и лазера.

В таблице представлены основные этапы измерения скорости света (Фрум и Эссен) :

Дата Авторы Метод км/с Погрешность
1676 Olaus Roemer Спутники Юпитера 214 000
1726 James Bradley Аберрация звёзд 301 000
1849 Armand Fizeau Зубчатое колесо 315 000
1862 Leon Foucault Вращающееся зеркало 298 000 ± 500
1879 Albert Michelson Вращающееся зеркало 299 910 ± 50
1907 Rosa, Dorsay ЭМ константы 299 788 ± 30
1926 Albert Michelson Вращающееся зеркало 299 796 ± 4
1947 Essen, Gorden-Smith Объёмный резонатор 299 792 ± 3
1958 K.D.Froome Радио интерферометр 299 792.5 ± 0.1
1973 Evanson et al Лазерный интерферометр 299 792.4574 ± 0.001
1983 CGPM Принятое значение 299 792.458

Philip Gibbs , 1997

Скорость света в воздухе зависит от показателя преломления (в основном от плотности воздуха).
Для видимого света на уровне моря примерно c / 1.0003 = 299700000 м/с.

С точностью 0.1% скорость света и в воздухе и в вакууме равна 300 тысяч километров в секунду.

Источник

Как определили скорость света

На протяжении нескольких столетий учёные со всего мира пытались измерить скорость света. Понимание, что свет имеет ограничения по скорости, началось ещё с 17 века. Раньше думали — свет мгновенный и не имеет скорости.

Первая попытка

Итальянский астроном, Галилео Галилей, решил провести простой эксперимент. Два холма. На одном Галилей, на другом его помощник. У каждого фонарик и заслонка. Расстояние между холмами 2 км.

С включённым фонариком Галилей убирает заслонку, препятствующую распространению света в сторону наблюдателя, и одновременно включает таймер. Помощник, увидев свет, убирает свою заслонку с включённым фонариком. Когда свет достигнет глаз Галилея, учёный останавливает время.

Зная расстояние и время, можно определить скорость света. Правда в этом методе есть изъян. Помощник затратит дополнительное время на принятие решения убирания заслонки. Да и погрешность сказывается на ручное включение и остановки времени.

Читайте также:  Измерение качественных показателей сотрудника

Можно улучшить такой метод, без помощника, направив свет в сторону зеркала. Свет сам отразится от зеркала. Попытка оказалась провальной. Расстояние слишком маленькое для определения скорости света. После провала общество больше стало верить в мгновенность света.

Метод Рёмера

Первый успех в определении скорости света достигнут датским астрономом Олафом Рёмером. Причём измерить удалось в далёком 1676, астрономическим методом.

Благодаря Галилею, у Юпитера стали известны 4 спутника. Один из них Ио совершает оборот вокруг Юпитера с постоянной периодичностью за 42 часа 28 минут .

Когда Ио находится за Юпитером, он невидим для наблюдателя с Земли. Рёмер сначала измерил время нахождения Ио за Юпитером. Затем проделал тоже самое, только через полгода. Земля уже будет в противоположной части орбиты вокруг Солнца. Юпитер совершит только 4% своего орбитального пути.

Разница во времени между первым и вторым измерениями составила 22 минуты , что говорило о дополнительном преодолении расстояния светом — 300 миллионов км (диаметр орбиты Земли вокруг Солнца). Зная диаметр, поделив на задержку 22 минуты, можно определить скорость

Неточность очевидна из-за движения планет не по окружности, а по эллипсу. В дальнейшем скорость света определялась методами аберрации звёзд, зубчатым колесом, вращающимся зеркалом, приближаясь к нынешнему стандарту.

Самый точный метод измерения скорости света определился в 1973 лазерным интерферометром . Благодаря технологической возможности пользованием лазера с очень стабильным спектром определилась длина волны отдельного спектра. Атомными цезиевыми часами установилась частота. Перемножив частоту на длину волны, измеряется скорость света c = 299 792 458 + 1,2 м/с.

Через десять лет большинство стран согласилось избавиться от погрешности, сделав скорость света эталоном скорости c = 299 792 458 м/с. Таким образом, хоть и принята окончательная скорость света в вакууме, так как в среде свет замедляется, в будущем, возможно, будет уточнение данной скорости.

Если вам понравилась статья, подписывайтесь на канал, ставьте лайк, делитесь информацией в социальных сетях. Дальше будет интереснее!

Источник

Как ученые узнали, что скорость света 299 792 458 м/с

Физические свойства света всегда были важны для науки, однако его скорость было трудно измерить. Свет является самым быстрым известным физическим явлением, поэтому для его измерения потребовалось разработать современное хронометрическое оборудование. Ранние цивилизации, такие как древние греки, пытались количественно оценить свет, но пришли к мнению, что его свойства неизмеримы. Только в 1973 году скорость света в вакууме была принята в значении 299 792 458 метров в секунду (м/с).

Одним из первых наблюдаемых фактов о свете было то, что он был быстрее, чем звук. Когда что-то производило громкий звук вместе с ярким светом, например, выстрел из пушки, то свет всегда доходил до наблюдателя раньше звука. Трудность в количественном определении этой задержки заключалась в огромной разнице в скорости двух явлений и отсутствии точных часов. Звук имеет скорость 331,3 м/с (при температуре 00 ° C, 0% влажности и атмосферном давлении 788 мм рт. ст.), тогда как свет движется со скоростью 299 792 458 м/с. Ранним исследователям казалось, что свет перемещается мгновенно. В течение многих столетий скорость света была философской концепцией. Мнения об этом разделялись: одни считали, что скорость света бесконечна, другие утверждали, что она должна быть конечна и измерима.

Изобретение более точных часов помогло произвести первый реалистичный расчет скорости света. Один из первых экспериментов, дающих приблизительную оценку скорости света провел Оле Кристенсен Ремер в 1676 году.

Чтобы измерить скорость света он использовал орбитальное движение луны Юпитера Ио. Когда Юпитер был ближе всего к Земле Ремер зафиксировал точный момент, когда Ио вошел в тень Юпитера и через несколько месяцев сравнил это время со временем вхождения Ио в тень Юпитера, когда Юпитер находился на большем известном расстоянии от Земли. Таким образом, по его расчетам скорость света составила 220 000 000 м/с. В 1728 году эта оценка была улучшена Джеймсом Брэдли, который измерил наблюдаемое движение звезд в разное время по сравнению со скоростью Земли на ее орбите. Его расчет в 298 000 000 м/с был принят как более точная величина.

По мере увеличения точности часов и улучшения технологий изготовления часовых механизмов стало возможным разделять промежутки времени на более меньшие сегменты. Первая земная мера скорости света появилась в 1849 году, когда Ипполит Физо использовал механический аппарат для измерения скорости света. Он использовал луч света, сфокусированный на зеркале, расположенном на расстоянии нескольких тысяч метров. Заставляя свет проходить сквозь вращающееся зубчатое колесо, он обнаружил, что при определенном повороте свет будет проходить через зубчатое колесо как в прямом, так и в обратном направлениях. Расчет, основанный на комбинации расстояния источника света от зубчатого колеса, количества зубьев зубчатого колеса и скорости вращения зубчатого колеса, обеспечивал скорость 313 000 000 м/с.

Этот тип эксперимента был позже уточнен с использованием вращающихся зеркал и призмы, в результате в 1926 году скорость света была оценена как 299 796 000 м/с . Для дальнейшего уточнения этого числа потребовалось появление осциллографов с временным разрешением для дальнейшего уточнения этого числа путем измерения задержки светового импульса от лазера или светодиода.

Одним из интересных свойств света является то, что его наблюдаемая скорость снижается, когда он проходит через среду, отличную от вакуума. Преломление света при его переходе из воздуха в воду является видимым проявлением замедления света при его движении в более плотной среде. Это привело ученых к изучению концепции «медленного света» путем увеличения показателя преломления различных сред. Можно увеличить путь, по которому фотоны должны проходить через среду, используя специальные условия, такие как конденсат Бозе-Эйнштейна ( такое состояние вещества, основу которого составляют бозоны, при температуре близкий к абсолютному нулю). В конденсате Бозе-Эйнштейна ученым удалось замедлить измеряемую скорость света до 1 м/с.

Читайте также:  Гаусс единица измерения физической величины

С 1983 года скорость света рассматривалась как определенная константа. В качестве постоянной величины она функционирует как абсолютная мера расстояния (1 метр = путь, пройденный светом за 1/299 792 458 секунды).

Известны ли Вам какие-то другие способы для измерения скорости света? Ждем Ваших ответов в комментариях.

Если Вам понравилась статья поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник

История Астрономии. Как была измерена скорость света.

Галилей о конечности скорости света

Как в древности, так и в средние века считалось, что свет распространяется мгновенно. В 1623 году Галилей писал, что свет обладает мгновенным движением. Но в 1638 году в книге «Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» читаем:

Но какого рода и какой степени быстроты должно быть это движение света? Должны ди мы считать его мгновенным или же совершающимся во времени, как все другие движения? Нельзя ли опытом убедиться, каково оно на самом деле?

Опыт, который я придумал, заключался в следующем. Два лица держат каждый по огню, заключенному в фонаре или в чем-либо подобном, который можно открывать и закрывать движением руки на виду у компаньона; став друг против друга нд расстоянии нескольких локтей, участники начинают упражняться в закрывании и открывании своего огня на виду у компаньона таким образом, что как только один замечает свет другого, так тотчас же открывает и свой. После многократных повторений такого упражнения достигается такое соответствие, что открытию одного огня без чувствительной ошибки немедленно отвечает открытие другого, так как тот, кто открывает свой свет, видит в тот же миг появление света своего компаньона. После подобных упражнений на малом расстоянии два упомянутых компаньона помещаются вместе со своими огнями в расстоянии двух или трех миль друг от друга и, выждав ночи для производства опыта, начинают внимательно наблюдать, получается ли ответ на открытие и закрытие огня с тою же быстротою, что и на близком расстоянии; если получается, то можно с достоверностью Заключить, что распространение света происходит мгновенно; если бы для него требовалось время, то расстояние в три мили, пробегаемое светом от одного источника до глаза другого участника и обратно, было бы достаточным, чтобы обнаружить известное запоздание. Если бы пожелали производить наблюдения при еще большем расстоянии, хотя бы в восемь или десять миль, то можно было бы воспользоваться телескопами, поставив лиц, производящих опыт, в таких местах, где ночью зажигались бы огни, хотя и незаметные для простого глаза благодаря малой их величине, но открытие и закрытие которых могло бы быть удобно наблюдаемо при помощи телескопа.

Мне удалось произвести его лишь на малом расстоянии—менее одной мили—почему я и не мог убедиться, действительно ли появление противоположного света совершается внезапно. Но если оно происходит и не внезапно, то, во всяком случае, с чрезвычайной быстротой, почти мгновенно; я могу сравнить его с движением света молнии, который мы видим в облаках с расстояния в восемь-десять миль. Здесь мы различаем самый источник, начало и конец света в определенных местах тучи, хотя распространение света на все окружающее следует немедленно же. Это кажется мне доказательством того, что явление совершается с затратою времени, хотя и малою, потому что если бы свет молнии, возникал во всех частях сразу, а не постепенно, то, думается, мы не могли бы различить ее источника, центра ее сияния и разветвлений.

Цитируется по Галилео Галилей. Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению. — М.-Л.: ГИТТЛ, 1934. Перевод А.Н.Долгова.

Здесь следует отметить несколько моментов:

  1. К выводу о конечности скорости света Галилей пришел исходя из ошибочного предположения отождествив скорость распространения света со скоростью распространения электрического разряда.
  1. Неизвестно был ли на самом деле поставлен опыт самим Галилеем или он ограничился «мысленным экспериментом». Нет документального подтверждения. Но известно, что такой опыт был проведен последователями Галилея во Флорентийской Академии опытов и дал отрицательный результат.
  2. Неизвестно какими милями пользовался Галилей (существовало большое число единиц длины называемых «миля» от 580 до 11300 метров. Можно предположить, что итальянской (географической) милей длиной 7420 метров (1/15 градуса экватора).

В любом случае, хотя опыт Галилея при существующих тогда возможностях не мог быть успешен его заслуга состоит в том, что он сформулировал проблему и наметил пути ее решения.

Открытие же Галилеем спутников Юпитера и реализация его программы наблюдения их затмений с целью определения долготы на море привела к первому экспериментальному определению скорости света в 1676 году.

Олаф Кристенсен Рёмер и его измерение скорости света

До изобретения точного морского хронометра наиболее точным методом определения долготы был астрономический. После открытия Галилеем спутников Юпитера наиболее удобным для этой цели оказались наблюдения затмений Ио (ближайший к Юпитеру из Галилеевых спутников) как проходивших достаточно часто и регулярно. Для этой цели составлялись специальные таблицы затмений.

В 1671 году Жан Пикар и Олаф Рёмер наблюдали затмения Ио в датской обсерватории Ураниборг, после чего Олаф поехал в Париж и продолжил наблюдения в качестве помощника Джованни Доменико Кассини. Где и заметил, что время между затмениями становилось короче, когда Земля и Юпитер сближались и длиннее, когда удалялись. Ранее на это несоответствие обратил внимание и сам Кассини. Вначале они оба считали, что это происходит из-за конечности скорости света, но затем Кассини отказался от этой гипотезы, Рёмер же произвел необходимые расчеты и предсказал задержку затмения Ио 9 ноября 1676 года на 10 минут.

В статье «Доказательство, касающееся движения света» он писал

Необходимость этого нового уравнения для запаздывания света устанавливается всеми наблюдениями, которые были сделаны в Королевской Академии и в Обсерватории на протяжении восьми лет. Они были вновь подтверждены выступлением из тени первого спутника Юпитера, наблюдавшимся в Париже 9 ноября этого года в 5h35m45s вечера на 10 минут позже, чем следовало ожидать.

Но чтобы устранить всякие сомнения, что это неравенство вызвано запаздыванием света, он показывает, что оно не может происходить из-за какого-либо эксцентриситета или другой причины из тех, которые обычно приводят, чтобы объяснить нерегулярности в движении Луны и других планет.

Перевод С.Р.Филонович. Полный текст статьи в книге Голин Г.М., Филонович С.Р. «Классики физической науки» т.1. М., «Высшая школа» 1989.

Читайте также:  Как называется этот прибор для измерения погоды

Исходя из современных ему данных и точности измерения времени Рёмер определил, что диаметр земной орбиты свет проходит за 22 минуты, то есть скорость света составляет около 230 тысяч километров в секунду. Только в 1809 году Жан-Батист Жозеф Делямбр, также исходя из наблюдений затмений Ио, но с существенно большей точностью определил, что время необходимое свету для прохождения расстояния от Солнца до Земли составляет 8 минут 12 секунд, исходя из чего скорость света примерно равна 300 тысячам километров в секунду, что близко к значению принятому ныне.

Источник

Как была впервые измерена 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.

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.

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.

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.

Астрономия спешит на помощь

Естественным решением для этой задачи было использование для определения широты астрономических явлений, точное время возникновения которых по Гринвичу точно известно и не зависит от местного времени. Первым кандидатом на роль такого явления стали лунные затмения. Но точный момент лунного затмения довольно сложно определить в полевых условиях, из-за растянутости затмения во времени, а кроме того случались затмения достаточно редко и этот метод не годился для каждодневного использования.

Галилео Галилей предложил использовать наблюдение за затмениями спутников Юпитера, в частности Ио, которое происходит в среднем чуть чаще, чем раз в 2 дня. Метод Галилея предполагал составление астрономами таблиц, с указанием точного времени затмений Ио на долгое время вперёд. Затем моряки должны были наблюдать в телескоп затмение Ио и по таблицам определять точное время по Гринвичу.

Но на практике этот метод давал большую погрешность и долго не могли понять почему. Проблемой занялся датско-французский астроном Олаф Рёмер. Он первым обратил внимание, что моменты затмений не всегда соответствуют табличным. Так, когда Земля и Юпитер находятся близко друг к другу — затмения случаются раньше табличного времени и наоборот — когда Земля и Юпитер находятся на максимальном удалении друг от друга — затмения опаздывают и случаются позже нужного времени.

Посвятив несколько лет наблюдениям Рёмер выявил точную закономерность и пришел к единственно возможному выводу: скорость, с которой свет, отраженный спутниками Юпитера достигает Земли является конечной. На основании своих наблюдений в 1676-м году Рёмер рассчитал скорость света равной 230 000 километров в секунду. Всего на 23% меньше реального значения. Поразительный результат, учитывая то, насколько примитивные инструменты и наблюдательные приборы были в распоряжении Рёмера!

В 1726-м году британский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света и сумел более точно вычислить скорость света — 308 000 км/c, погрешность составила всего на 0.4%. В дальнейшем эксперименты Армана Физо (1849) с зубчатым колесом, а также Леона Фуко (1862) и Альберта Майкельсона (1926) с вращающимся зеркалом помогли получить значение скорости света практически не отличающееся от известного современной науке: 299 796 км/c.

Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube . Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!

Источник