Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - читать онлайн книгу. Автор: Айзек Азимов cтр.№ 106

Представьте себе луч света, идущий от спутника Юпитера к Земле, то есть луч, посредством которого мы и видим спутник. Во время затмения этот пучок перерезается, и мы спутник не видим. По крайней мере, так бы было, если бы скорость света была бесконечной. Когда пучок света перерезан, он при таких условиях перестал бы существовать на всем своем протяжении, независимо от своей длины. Было бы не важно, находится ли Земля с той же стороны от Солнца, что и Юпитер, или с противоположной.

Но если скорость света все же конечна, то луч, будучи оборванным Юпитером, продолжал бы свое движение к Земле; следовательно, наблюдатель на Земле продолжал бы видеть спутник вплоть до того момента, пока его не достиг бы «оборванный конец» луча: тогда, и только тогда спутник исчез бы из вида, и наблюдалось бы затмение. Чем больше расстояние между Юпитером и Землей, тем больше будет этот промежуток.

Если бы расстояние от Земли до Юпитера было все время одним и тем же, этот временной промежуток был бы постоянным и, следовательно, его можно было бы игнорировать. Но расстояние между Землей и Юпитером не постоянно. Когда Юпитер и Земля находятся на одной стороне от Солнца, их разделяют всего 400 000 000 миль. Когда же они находятся по разные стороны, их может разделять то же расстояние плюс полный диаметр орбиты Земли, то есть около 580 000 000 миль.

Если при наибольшем приближении затмение наступает, скажем, на 8 минут раньше, а при наибольшем отдалении — на 8 минут позже, то получается, что на то, чтобы пересечь диаметр земной орбиты, свету требуется примерно 16 минут. Зная диаметр земной орбиты, несложно высчитать скорость света; Рёмер так и сделал в 1676 году. С высоты сегодняшних знаний полученное им значение является сильно заниженным. Однако ему удалось доказать, что свет движется со скоростью порядка ста пятидесяти тысяч миль в секунду.

Работа Рёмера не была встречена с распростертыми объятиями, но в 1728 году английский астроном Джеймс Брэдли (1693–1762) использовал явление аберрации света для выполнения схожих расчетов. Предположим, что свет от звезды, находящейся рядом с астрономическим Северным полюсом, вертикально падает на Землю. Однако Земля движется по своей орбите под углом к этому направлению и соответственно навстречу лучу света. Чтобы поймать этот луч, телескоп должен быть несколько наклонен, так же как приходится наклонять зонтик в грозу, чтобы защититься от капель дождя, падающих вертикально вниз, но сносимых ветром.

Телескоп должен быть наклонен таким образом, чтобы точно продолжать направление, по которому движется Земля по своей округлой орбите, поэтому и кажется, что звезда движется в небе по крошечной эллиптической орбите. Размер эллипса зависит от отношения скорости движения Земли к скорости движения света. (Если бы Земля стояла неподвижно или если бы скорость света была бесконечной, эллипс бы не наблюдался.) Поскольку скорость движения Земли вокруг Солнца, как известно, равняется 18,5 мили в секунду, скорость света нетрудно подсчитать. По Брэдли, скорость света равнялась около 190 000 миль в секунду.

Однако только в 1849 году вопрос скорости света спустился с небес на землю. Исследователем, сделавшим это, оказался французский физик Арман Ипполит Луи Физо (1819–1896); он вернулся к принципам Галилея, но попытался устранить элемент человеческой реакции.

В его опыте свет вернулся обратно на вершину его холма с вершины другого, не будучи включенным человеком, а будучи отраженным зеркалом. Более того, испускаемый свет должен был проходить между спицами вращающегося колеса; следовательно, свет был «нарезан» на серию кусочков — получалось что-то вроде пунктирной линии света.

Представим себе поведение такого пунктирного света. Свет движется так быстро, что если бы колесо вращалось с обычной скоростью, то каждый отрезок луча успевал бы долететь до зеркала, отразиться и снова оказаться с первоначальной стороны колеса, прежде чем колесо успело бы сколько-нибудь повернуться. Свет вернулся бы в тот же самый промежуток между спицами, из которого был испущен. Глазу наблюдателя предстал бы настолько часто пульсирующий луч, что он показался бы единым и непрерывным. Более того, свет был бы вполне ярким, потому что почти весь испускаемый свет возвращался бы обратно.

Конечно же последняя часть каждой порции света, часть, которая проскочила между спицами в тот момент, когда спица уже почти перерезала луч, на своем пути обратно наткнется на преграду и будет поглощена. Следовательно, отраженный свет потеряет часть своей силы и будет не таким ярким, каким он был бы, если бы никакого колеса на его пути не было.

Чем быстрее будет вращаться колесо, тем большая доля света будет перекрываться спицами по возвращении и тем тусклее, на взгляд наблюдателя, будет становиться отраженный свет. Наконец, его яркость достигнет минимума, когда свет, выходящий в промежуток между спицами, будет полностью приходиться по возвращении на спицу. Но если вращать колесо еще быстрее, то некоторая часть света будет проходить в следующий промежуток, и свет снова будет становиться ярче. В определенный момент весь свет, проходящий через один промежуток, будет возвращаться через следующий, и яркость света вновь достигнет максимума.

Измеряя скорость вращения колеса во время минимума и максимума яркости и зная расстояние от источника света до зеркала, можно было высчитать скорость света. Результаты Физо были не так точны, как результаты того же Брэдли, но Физо спустил измерение на землю, и для его опытов не требовалось участия небесных тел.

У Физо был товарищ по работе, французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868). Он ввел новшество, еще полнее устранившее фактор человеческой ошибки. В устройстве Физо было все еще необходимо выбирать моменты наивысшей и низшей яркости света. Для этого требовалось суждение человека, а на него нельзя полагаться. Вместо колеса Фуко поставил второе зеркало и заставил его вращаться. Вращающееся зеркало посылало свет на закрепленное зеркало только тогда, когда было повернуто в правильном направлении.

К тому времени, как свет отражался от закрепленного зеркала, вращающееся зеркало немного сдвигалось. Соответственно свет отражался не обратно к закрепленному зеркалу, а под небольшим углом. Этот угол можно было измерить по шкале. Из того, насколько повернулось зеркало, и из расстояния между двумя зеркалами можно было с определенной точностью измерить скорость света, что и было сделано.

И более того, Фуко удалось провести эти измерения и тогда, когда свет проходил под водой, а не в воздухе. Он сделал это в 1850 году и обнаружил, что скорость света в воде была заметно меньше, чем в воздухе. Это вполне соответствовало тому, что предполагал Хайгенс почти два века назад, и противоречило тому, что предполагал Ньютон. Для физиков это стало последним доводом, и больше препятствий для принятия волновой теории света не оставалось.

Скорость света при прохождении его в любой прозрачной среде равна его скорости в вакууме, разделенной на коэффициент преломления (n) среды. Скорость света в вакууме принято обозначать с, от латинского celeritas, что означает «скорость». Тогда можно сказать, что:

v = c/n. (Уравнение 5.1)