Теория:
Скорость света является одной из фундаментальных констант физики и составляет примерно \(299,792\) км/с, или \(3108\) м/с в вакууме. Учёные разных эпох использовали различные методы для определения скорости света, и каждый из этих методов имеет свою уникальную историю и особенности.
Один из первых экспериментов по измерению скорости света был проведён датским астрономом Олафом Рёмером в конце \(XVII\) века. Опыт Рёмера, проведённый в \(1676\) году, стал одним из знаковых экспериментов, которые подтвердили конечную скорость света.
Работа Рёмера была основана на наблюдениях за спутником Юпитера, Ио, который периодически проходил за тенью планеты (см. рис. \(1\)). Когда Земля движется по своей орбите, её расстояние до Юпитера и его спутников меняется, что, в свою очередь, влияет на время, необходимое свету для преодоления этого расстояния. Рёмер заметил, что время затмения Ио изменялось в зависимости от положения Земли на её орбите. Когда Земля удалялась от Юпитера, затмения происходили позже, а когда приближалась — раньше, чем ожидалось.
Рис. \(1\). Схематическое изображение опыта О. Рёмера
Рёмер интерпретировал это явление как результат конечной скорости света, а не как простую ошибку в расчётах или наблюдениях. Он оценил скорость света, исходя из наблюдаемых задержек, и пришёл к выводу, что свет проходит примерно \(220~000 \) км/с. Хотя это значение было неточным, так как современная физика определяет скорость света в вакууме как \(299~792 \) км/с, опыт Рёмера стал важным шагом в понимании природы света и положил начало дальнейшим исследованиям в этой области.
Эксперимент Рёмера помог подготовить почву для будущих теорий, включая теорию относительности Эйнштейна, которая значительно расширила понимание человека о пространстве и времени. Результаты Рёмера также повлияли на философские взгляды на природу света и его взаимодействие с материей, что стало основой для дальнейших достижений в физике.
Арман Физо, французский физик, в \(1849\) году предложил один из первых экспериментальных методов для измерения скорости света, который использовал вращающееся зубчатое колесо.
В своём эксперименте Физо использовал источник света, который посылал луч на вращающуюся зубчатую передачу. Свет проходил через щель в колесе и попадал на зеркало, расположенное на расстоянии (см. рис. \(2\)). Зеркало отражало свет обратно к зубчатому колесу, которое в это время продолжало вращаться. Если скорость вращения колеса была достаточной, чтобы щель успевала закрыться до того, как возвращающийся свет достигнет её, луч не мог проникнуть через щель.
Рис. \(2\). Экспериментальная установка А. Физо
Физо менял скорость вращения колеса и определял минимальную скорость, при которой свет уже не мог проходить через щель. После чего он мог вычислить скорость света, используя известные расстояния и углы.
Учитывая, что расстояние между источником света и зеркалом составляло около \(8 \) км, и проводя множество наблюдений и расчётов, Физо пришёл к значению скорости света около \(313~000 \) км/с. Это значение тоже было не совсем точным по сравнению с современными измерениями, но в то время оно было довольно близким и важно тем, что подтвердило концепцию конечной скорости распространения света.
Эксперимент Физо не только повысил точность измерения скорости света, но и стал основой для дальнейших исследований в этой области. Позже другие учёные, такие как Леонард и Максвелл, использовали его методы и идеи для более точных определений скорости света. Опыты Физо продемонстрировали важность экспериментальной физики и заложили основы для дальнейшего изучения света, его природы и свойств, что в конечном итоге привело к огромным достижениям в области оптики и физики в целом.
Источники:
Рис. 1. Схематическое изображение опыта О. Рёмера.