Учебный материал на 12, 13 и 15 мая

Конспект занятия

Оптика

Скорость света

Почему скорость света является максимальной, конечной и постоянной в нашем мире? Это действительно довольно интересный вопрос, и сразу можно сказать, что ответа на него, в действительности никто точно и не знает почему. Скорость света берется за константу, и на этом постулате, а также на идее о том, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными, Альберт Эйнштейн и построил свою специальную теорию относительности, которая вот уже сто лет выводит ученых из равновесия и позволяет Эйнштейну безнаказанно показывать всему миру язык и ухмыляться над размерами той свиньи, которую он подложил всему человечеству.

Но почему же скорость света такая постоянная, максимальная и такая конечная? Ответа так и нет — это аксиома — принятое на веру утверждение, которое подтверждается лишь здравым смыслом и наблюдениями (наподобие того, как через любые две точки можно провести прямую и причем только одну), но никак не логически и не математически выводимое.

Если посмотреть в википедии или физическом справочнике, то можно увидеть, что скорость света определена как точное число: 299 792 458 м/с. Ну, если говорить примерно, то это будет 300000 км/с.

Встает вопрос, откуда же такая точность? Ведь любая физическая или математическая константа, например число p или основание натурального логарифма e, постоянная Планка или гравитационная постоянная, всегда содержат какие-то цифры после запятой. У p на сегодняшний момент определено около пяти триллионов таких цифр, а постоянная Планка и гравитационная постоянная вообще определяются периодической десятичной дробью.

Но скорость света в вакууме составляет ровно 299 792 458 метров в секунду, ни миллиметром больше, ни наносекундой меньше. Так откуда же такая точность?

Началось все как обычно с древних греков. В их времена науки, как таковой в современном ее понимании, еще не было, поэтому они себя называли философами, т.е. они сначала придумывали невероятную теорию у себя в голове, а потом при помощи логических умозаключений пытались эту теорию доказать или опровергнуть.

Первым, кто задумался о том, что у света существует собственная скорость, является философ Эмпидокл, который заявлял, что «свет есть движение, а у движения должна быть скорость». Аристотель же наоборот, говорил, что «свет — это просто присутствие чего-то в природе и все. И ничего не куда не движется».

Птолемей и Евклид вообще считали, что «из глаз выходят чувствительные нити, которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения». Древние греки изощрялись как могли, пока их не завоевали такие же древние римляне.

В средневековье, в период господства схоластики и инквизиции, в период рассвета лженаук, заметных исследований по оптике не было, а если и были, то их сожгли. Отметим лишь тот факт, что в этот период, где-то в 1285 году, итальянцем СальвиноД’Армате были изобретены очки для зрения. Поэтому мы опустим данный период.

Далее в западной Европе наступает эпоха Возрождения — период, характеризующийся общим подъемом экономики, культуры, техники и борьбой прогрессивных мировоззрений с схоластикой средневековья.

Однако многие ученые все еще продолжают считать, что скорость распространения света бесконечна. Среди них были такие известные ученые как, скажем, Декарт, Кеплер и Ферма.

Но некоторые, например Галилей, верили, что свет обладает конечной скоростью. Галилей даже пытался измерить ее.

Его опыт был достаточно примитивен, однако заслуживает нашего внимания, так как это были первые попытки измерения скорости света. Галилей вместе со своим помощником брали в руки лампы и расходились в разные стороны на несколько километров друг от друга. Далее Галилей зажигал свою лампу и светил ее в сторону помощника. Увидев свет, помощник зажигал свою лампу, и Галилей пытался измерить задержку между данными моментами. Конечно же у него ничего не получилось, и в конце концов он написал в своих сочинениях: «Если у света и есть скорость, то она чрезвычайно велика, а посему можно считать ее бесконечной».

В дальнейшем, Рене Декарт одним из первых предложил использовать для измерения скорости света огромные расстояния (например, астрономические), на преодоление которых свету потребуется значительное время.

Исторически первое экспериментальное определение скорости света в вакууме в 1676 году предпринял датский астроном Олаф Рёмер. К этому времени почти все астрономы были вооружены телескопами того самого Галилея, и с завидным постоянством наблюдали за четырьмя спутниками Юпитера — Ио, Европой, Каллисто и Ганимедом. Они даже определили примерный период вращения ближайшего к Юпитеру спутника — Ио, который составил около 42-х часов.

Рёмер, как и все ученые, также наблюдал за этим спутником и, примерно через полгода после начала наблюдений, обнаружил странную вещь. Оказалось, что момент затмения Ио запаздывает относительно вычисленного почти на 11 минут. Дальнейшие его наблюдения показали, что иногда Ио появляется с запаздыванием, а иногда с опережением, но всегда на 11 минут. Рёмер объяснил это опоздание конечностью скорости распространения света. Он рассуждал так: поскольку за полгода Земля переместилась из положения 1 в положение 2, то надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошел добавочное расстояние, примерно равное диаметру земной орбиты, а в те времена он уже был более-менее известен.

Так вот, просто поделив диаметр Земли на 22 минуты Рёмер получил, что скорость света составляет 220 000 км/с, примерно на треть не досчитавшись до истинного значения.

После Рёмера, а точнее в 1729 году, английский астроном Джеймс Брэдли, наблюдая за звездой гамма-дракона (Этамин), заметил, что данная звезда изменяет свое положение на небосклоне из-за движения Земли вокруг Солнца (эффект аберрации). Бредли решил, что из данного эффекта также можно вычислить скорость света. Сделав необходимые математические вычисления, он получил, что скорость света составляет примерно 301 000 км/с, что уже в пределах точности 1% от известной нам сегодня величины.

В те времена существовало две различные теории о том, что такое свет, которые возникли практически одновременно.

Первая теория, именуемая корпускулярной теорией света, связана с именем небезызвестного нам Исаака Ньютона, который считал, что свет — это поток частиц, идущих во все стороны.

Вторая теория света, волновая, была разработана Гюйгенсом, который считал свет волной, которая распространяется в какой-то гипотетической среде — светоносном эфире, который заполняет все пространство и проникает во внутрь любых тел.

И обе этих теории существовали довольно длительное время. И лишь авторитет Ньютона позволял переманивать ученых на сторону корпускулярной теории.

Эта неоднозначность в выборе теории света связана с тем, что известные в то время законы распространения света могли объясняться обеими теориями.

Например, прямолинейное распространение света и образование резкой тени за предметами, можно объяснить только на основе корпускулярных взглядов, согласно которым прямолинейное распространение света является просто следствием из закона инерции.

Но в тоже время, корпускулярная теория не могла объяснить, почему тогда световые пучки, пересекаясь в пространстве, не рассеиваются, а продолжают независимое движение. Волновая же теория это легко объясняла.

Однако в начале 19 века все меняется — открываются два новых световых явления, которые присущи только волновым процессам — дифракция и интерференция. Первое состоит в том, что свет способен огибать препятствия, соизмеримые с длиной волны, а второе — в явлении усиления или ослабления света при наложении световых пучков друг на друга.

Казалось бы, победа сторонников волновой теории уже близка. Тут еще и Максвелл публикует свою теорию электромагнетизма, в которой указывает на то, что свет является частным случаем электромагнитной волны. А после обнаружения Герцем этих самых волн, вообще не остается никаких сомнений в том, что свет имеет электромагнитную (а значит и волновую) природу.

Теперь, сторонники электромагнитной природы света из уравнений Максвелла могли легко посчитать значение скорости света из значений электрической и магнитной проницаемости среды, что и было сделано в 1907 году, уточнив значение скорости света до 299 788 км/с.

Но не все так просто в мире физики. В начале 20 века опять меняется представление о природе света. Оказалось, что отвергнутая корпускулярная теория имеет право на жизнь, ведь, например, при излучении или поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц, что и продемонстрировал Лебедев в своих опытах с крутильными весами.

Возникла необычная ситуация: с одной стороны явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить только на основе волновых представлений о свете, а явления излучения и поглощения света только на основе корпускулярных. Поэтому, было решено в одних случаях рассматривать свет, как поток частиц, а в других — в виде электромагнитной волны. В настоящее время это называется корпускулярно-волновым дуализмом.

В 1905 году Альберт Эйнштейн создает свою специальную теорию относительности, где заявляет, что скорость света в вакууме — это константа и не зависит вообще ни от чего. Наоборот, все в мире относительно, а скорость света и есть та величина, относительно которой относительны все остальные вещи в нашем мире.

Однако точно определить скорость света все еще не могли. И весь 20 век ученые продолжали искать цифры после запятой в значении скорости света.

Здесь стоит обратить внимание на опыт американского физика Альберта Абрахама Майкельсона, который для более точного измерения скорости света использовал вращающуюся призму.

В 1924–1927 годах Майкельсон разработал схему, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио (расстояние порядка 35 км). В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным высокоскоростным ротором, делающим до 528 оборотов в секунду. Изменяя частоту вращения ротора, наблюдатель добивался возникновения в окуляре устойчивого изображения источника света. Знание расстояния между установками и частоты вращения зеркала позволяли вычислить скорость света. Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений, повышалась точность измерения расстояния и частоты вращения ротора. Средний результат измерений составил 299 798 км/с. Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как 299796 ± 4 км/с.

В 1975 году Генеральная ассамблея мер и весов рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с, с абсолютной погрешностью ± 1,2 м/с.

Естественно предположить, что при решении задач по физике, такая большая точность не нужна, и будем пользоваться ее приближенным значением — 3 × 10⁸ м/с.

Как оказалось, дальнейшее повышение точности измерений скорости света стало невозможным. Ограничивающим фактором стала величина неопределённости реализации определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность эталона метра. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света и определив метр как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 секунды.

В заключение хотелось бы напомнить о том, что было известно о свете раньше из курса физики.

При первоначальном ознакомлении с оптическими явлениями в 8 классе было введено понятие светового луча — линии, указывающей направление распространения света, перпендикулярной фронту волны.

На основе определения светового луча и строилось изучение геометрической оптики — раздела оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах и законы его отражения от зеркальных поверхностей.

Так же стоит отметить, что одним из основных положений геометрической оптики является положение о прямолинейности распространения света.