Світлові хвилі. Швидкість світла

Випромінювання електромагнітних хвиль відбувається під час вимушених коливань електронів в коливальних контурах (антенах). За допомогою електричних коливаль­них контурів можна дістати електромагнітні хвилі, часто­та яких досягає (довжина хвилі кілька міліметрів). Виникає запитання: чи існують електромагнітні хвилі більших частот? Теоретично можуть існувати електро­магнітні хвилі, частота яких може змінюватися від нульо­вих до нескінченно великих значень. Детальне вивчення електромагнітних явищ показало, що при коливаннях атомів і молекул виникають електромагнітні хвилі, ча­стота яких значно перевищує частоту хвиль, які одер­жують за допомогою коливальних контурів. Ці хвилі дістали назву світлових хвиль. З фізичної точки зору світлові хвилі — це електромагнітні хвилі, до яких крім видимого (неозброєним оком) відносяться також інфра­червоне і ультрафіолетове випромінювання (частоти коли­вань ВІД І ДОВЖИНИ ХВИЛЬ ВІД 0,3 MM ДО

). Видиме випромінювання має частоти від

(довжина хвиль від 0,4 до 0,77 мкм).

Світлові хвилі мають всі властивості електромагнітних хвиль, у тому числі з певною швидкістю переносити енер­гію. Питання про швидкість поширення світла — одне з найбільш важливих, принципових питань усієї фізики. З'ясування того, що швидкість світла є граничною швид­кістю поширення будь-яких фізичних збуджень, а також визначення числового значення цієї швидкості дали мож­ливість обгрунтувати електромагнітну природу світла і відіграли важливу роль у створенні теорії відносності, яку ви будете вивчати в наступному розділі.

Швидкість світла можна визначити, вимірявши про­йдену ним за певний час відстань (прямий метод). Перша спроба визначити таким способом швидкість світла нале­жить Г. Галілего (1607). На певній відстані від спостерігача установили плоске дзеркало. Відкриваючи заслінку ліх­таря, спостерігач за годинником мав визначити, через який час повернеться світло, відбившись від дзеркала. Однак таким способом не вдалося визначити швидкість світла, оскільки при порівняно невеликій відстані до дзеркала час реакції спостерігача на світло значно перевищував час

поширення світла від ліхтаря до дзеркала і назад до спо­стерігача.

Вперше визначив швидкість світла датський астроном Олаф Ремер у 1675 р. під час вивчення затемнень одного із супутників Юпітера. Супутники обертаються навколо Юпітера і періодично ховаються за ним. Очевидно, затем­нення супутників мають повторюватися строго періодично. Однак Ремер виявив, що при наближенні Землі до Юпі­тера інтервали часу між послідовними затемненнями стають коротшими, а при віддаленні від Юпітера — дов­шими порівняно з розрахованим часом. Ремер пояснив це тим, що протягом року змінюється відстань від Землі до Юпітера, а тому світло від супутника Юпітера до Землі йде різний час. Ремер порівняв результати двох спостере­жень. Сдне виконувалося в момент, коли відстань між Юпітером і Землею була мінімальна, а друге — коли ця відстань була максимальна (мал. 100). Відмінність різниці фактичних моментів виходу супутника Юпітера із затемнення від розрахованого значення цієї різниці до­рівнювала 1320 с. Оскільки діаметр земної орбіти навколо Сонця дорівнює 299 млн. км, то для швидкості світла Ремер дістав значення:

Це значення не дуже точне, оскільки вимірювання Ремера були виконані з великими похибками і, крім того, діаметр земної орбіти в той час був відомий з малою точ­ністю. За сучасними спостереженнями час запізнення

затемнення проти розрахованого становить 1001,6 с, тому швидкість світла дорівнює:

Однак цінність відкриття Ремера величезна, оскільки він вперше показав, що швидкість світла скінченна.

У подальшому швидкість світла вимірювалась багато разів і в різних умовах. Одним з найточніших був дослід, проведений у 1926 р. американським фізиком А. Майкель-соном. Його схема показана на малюнку 101. На одній горі установлювали потужне джерело світла, восьмигранне обертове дзеркало, трубу і увігнуте (параболічне) дзер­кало D\. На другій горі, відстань до якої була точно виміряна, також установлювали увігнуте дзер­кало Dj. У тому випадку, коли восьмигранне дзеркало не рухалось, систему настроювали так, щоб світло від дже­рела відбилося від однієї грані восьмигранного дзеркала, дійшло до другої гори, відбилося від дзеркал , повер-

нулося назад, упало на грань восьмигранного дзеркала, відбившись від якої і від дзеркала Dj, потрапило в трубу спостерігача. При настроєній системі спостерігач в трубу бачить джерело світла.

Коли ж восьмигранне дзеркало приводили електро­двигуном у швидке обертання, зображення джерела в тру­бі зникало. Причину цього зрозуміти не важко. За час руху світла до другої гори і назад восьмигранне дзеркало трохи поверталося, протилежна грань зміщувалась, промінь па­дав на цю грань під дещо іншим кутом і після відбивання не потрапляв у трубу. Збільшуючи швидкість обертання

дзеркала, при певній кількості обертів п спостерігач знову бачив зображення джерела світла. Це означало, що за час проходження світлом подвійної відстані між горами 21 восьмигранне дзеркало встигало повернутися на одну восьму оберту і в положення протилежної грані ставала наступна за нею. Відбите від цієї грані світло знову по­трапляло в трубу і спостерігач знову бачив джерело світла. Світло проходило подвійну відстань між горами

за 1/8 періоду обертання дзеркала , тому

швидкість світла визначалася так:

За результатами досліду А. Майкельсон установив, що

Нині існують інші, більш точні способи вимірювання швидкості світла. Кілька років тому, скориставшись лазерним випромінюванням, учені визначили швидкість світла з небаченою досі точністю:

Відносна похибка цього вимірювання дорів­нює

? 1. У чому суть методу визначення швидкості світла О. Ремером? 2. Як визначав швидкість світла А. Майкельсон? 3. Припустимо, що в досліді Маякельсоиа при певній кількості обертів дзеркала за одиницю часу спостерігач бачить в трубу джерело. Чи бачитиме він джерело при збільшенні швидкості обертання дзеркала до 2 л чи Зл?