Фундаментальні досліди з квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики (стр. 7 из 11)

Пригадаємо, що Галілей першим ввів в науку новий метод — експеримент. Ось і досліди Галілея по вимірюванню швидкості світла — також перші, хай і невдалі, досліди, направлені на рішення надзвичайно важливої проблеми фізичної науки — проблеми швидкості світла.

Що ж визначається важливість цієї проблеми? Сьогоднішнє розуміння проблеми дозволяє нам сказати, чому так важливо рішення задачі про визначення швидкості світла.

1.Астрономічні методи визначення швидкості світла сприяли розумінню астрономічних питань про затьмарення світил і річний паралакс зірок. (Річний паралакс зірок — уявний зсув зірок на небесному зведенні, рух Землі, що відображає, по орбіті навкруги Сонця і зв’язане з кінцівкою відстані від Землі до світила.)

2.Земні методи визначення швидкості світла використовуються при геодезичній зйомці.

3.Вимірювання світла у вакуумі і в інших прозорих середовищах дає підставу для дозволу суперечки між хвильовою і корпускулярною теоріями світла.

4.Збіг значення швидкості світла із значенням швидкості електромагнітних хвиль, теоретично передбаченим Дж.К.Максвеллом і експериментально отриманим Р.Герцем, є обгрунтовуванням електромагнітної природи світла.

5.Пошуки впливу руху системи відліку на швидкість світла обгрунтовують справедливість постулатів спеціальної теорії відносності.

Таким чином, виявляється, що від точності результатів різних експериментів по вимірюванню швидкості світла залежить рішення цілого ряду проблем, що виходять не тільки за рамки оптики як розділу фізики, але і за рамки фізики взагалі.

Швидкість світла така велика, що рішення питання не тільки про числове значення швидкості світла, але навіть про кінцівку цієї швидкості, було непростим і зажадало довгий час.

Великий мислитель, математик, філософ Р.Декарт (1596-1650) рахував швидкість світла нескінченної. Він не був експериментатором і теоретично доводив нескінченність швидкості світла.

В 1634 р. Декарт в листуванні з голландським вченим И.Бекманом запропонував досвід, який міг би провести один експериментатор — досвід з факелом і дзеркалом. Декарт дав чисельну оцінку нижньої межі швидкості світла, і той факт, що в досвіді не вдалося зміряти швидкість світла, тлумачив, як доказ її нескінченності. В 1690 р. X.Гюйгенс в своєму «Трактаті про світло» писав про те, що в міркуваннях Декарта треба використовувати більше значення швидкості і що відсутність ефекту може бути пов'язаний лише з припущенням про мале значення швидкості світла.

Значущість проблеми визначення швидкості світла призводить до того, що інтерес до неї не слабшає і в даний час. У зв'язку з появою особливих джерел світла — лазерів сталі можливими надзвичайно точні вимірювання швидкості світла не просто в земних, а в лабораторних умовах.

2.5Вимірювання швидкості світла

Астрономічні методи. Перша вдала спроба вимірювання швидкості світла була здійснена не із земними, а з астрономічними небесними об'єктами. Вона пов'язана із спостереженнями датчанина О.Ремера затьмарень супутників Юпітера. (Супутники Юпітера — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто — були відкриті Галілеєм в 1610 р.) Спостереження Ремера можна назвати науковим подвигом. В результаті цих спостережень було отримано значення швидкості світла всього лише з 10%-і помилкою. Найголовніше була доведена кінцівка швидкості світла, і це було визнано самим Ньютоном XVII в. був століттям великих географічних відкриттів. В другій половині XVII в. відбувалося організаційне становлення науки — виникали наукові журнали, наукові суспільства, академії. В задачі учених входило рішення багатьох практичних проблем. Так, для визначення географічної довготи були необхідні таблиці затьмарень супутників в одному місці на Землі.

Цією проблемою в Паризькій академії наук займалися два астрономи — Ж. Пікар (1620-1682) і Дж. Д. Кассині (1625-1712). В програмі їх досліджень була поїздка в Данію в обсерваторію Тихо Бразі. В цей час великою популярністю користувався професор з Копенгагена Е. Бартолін. Його ім'я увійшло до історії фізики, перш за все, завдяки відкриттю подвійного променезаломлення в кристалі ісландського шпату. ж. Пікар, Дж. Кассині і Э. Бартолін разом відправилися на острів Вен для проведення астрономічних спостережень. З ними поїхав і молодий учень Бартоліна, Олаф Ремер. Саме він першим отримав достовірне значення швидкості світла.

Проаналізувавши результати багаторічних спостережень за затьмареннями супутників Юпітера, Ремер виступив з докладом перед членами Паризької академії наук. Він розказав про те, що супутник Юпітера Іо виходив з тіні своєї планети з деяким спізненням — приблизно на 10 мін. Ремер пояснював це кінцівкою швидкості світла і тим, що світлу вимагалося пройти відстань, рівну діаметру земної орбіти. Світло, на думку Ремера, повинен був затрачувати на це приблизно 22 мін. Спостереження за затьмаренням супутника в 1676 р. підтвердили прогноз Ремера.

Проведені міркування можуть дати лише наближений результат, оскільки в них не враховується зсув Юпітера за час спостереження затьмарень. Крім того, не ясно, як визначити період обігу супутника навкруги своєї планети, якщо спостерігач знаходиться на Землі.

Ремер був обережний у визначенні конкретного значення швидкості світла. У той час не було відоме точне значення радіусу земної орбіти, тому перші результати Ремера були далекі від істини.

Після того, як радіус земної орбіти був зміряний більш точно, на основі результатів спостережень Ремера було отримано значення швидкості світла з = 214 000 км/с.

Подальші астрономічні спостереження (вивчення аберації світла) за даними Брадлея дали значення з = 284 000 км/с.

Той факт, що саме в астрономії були вперше отримані цілком відповідні істині значення швидкості світла, має великий сенс: перші вимірювання швидкості світла були здійснені у вакуумі, отже, була отримана саме світова константа!

Земні методи. Вимірювання швидкості світла в земних умовах були успішно проведені лише в XIX в. і всі вони булизасновані на одному принципі. Для вимірювання швидкості світла необхідно було примусити світло багато разів пройти одну і ту ж відстань туди і назад. Так подовжувався шлях світла, збільшувався час його руху, і можна було цей час зміряти і потім розрахувати швидкість світла.

Визначення швидкості світла земними методами пов'язано з іменами двох вчених — И. Физо і Л. Фуко. 1819 р. — початок життєвого шляху двох французьких оптиків, що займалися однією і тією ж проблемою. Фізо був молодшим Фуко всього на чету ре дня. В житті учених був період тісної наукової співпраці, який потім змінився періодом наукового суперництва.

Схема дослідів Фізо була дуже схожа на те, що пропонував Галілей для визначення швидкості світла. Але другий експериментатор був замінений дзеркалом (мал. .9). Після віддзеркалення від дзеркала світло потрапляло на зубчате колесо. Зображення джерела світла в цьому дзеркалі формувалося в тій крапці, де розташовувалося це колесо. За допомогою оптичної системи світло багато разів проходило відстань від дзеркала до зубчатого колеса і назад. Прояснення поля зорунаступало при удвічі більшому куті повороту, наступне затемнення —• при втричі більшому значенні кута.

Мал.9

звідси з — 4 nlv. Фізо отримав значення швидкості світла 314 000 км/с — дещо більше, ніж в дослідах Ремера. Найголовніше — була доведена можливість вимірювання швидкості світла в земних умовах. Це відбулося в 1849 р. Через рік за допомогою дзеркала, що обертається, швидкість світла була зміряна Л. Фуко. Схема досвіду показана на (мал.10а). Світло від джерела проходило через напівпрозору пластинку g і збираючу лінзу L і потрапляв на плоске дзеркало

, яке могло обертатися навкруги вертикальної осі. Дзеркало, що обертається, відображало світло на нерухоме увігнуте дзеркало M, оптичний центр якого лежав на осі обертання плоского дзеркала. Якщо плоске дзеркало нерухомо, світло після віддзеркалення від увігнутого дзеркала йшло назад до плоского дзеркала, відображався від нього, знову проходив через лінзу до напівпрозорої пластинки, частково відображався від неї і потрапляв в зорову трубу dd' для спостережень. Дзеркала і лінза були розташовані так, що формували спочатку уявне зображення джерела світла за допомогою плоского дзеркала, а потім зображення цього уявного джерела. При обертанні плоского дзеркала

Мал.10

зображення уявного джерела описувало коло, радіус якого був рівний радіусу кривизни увігнутого дзеркала.Далі в досвіді використовувалися два увігнуті дзеркала M і М' (мал.10 б). До одного з них світло йшло по повітрю. На шляху світла від плоского дзеркала до другого увігнутого дзеркала знаходилася труба з водою Т. Если плоске дзеркало оберталося, то за час проходження світла від нього до увігнутого дзеркала плоске дзеркало встигало обернутися на деякий кут, і виходило нове зображення джерела, не співпадаюче з колишнім. Зсуви зображень, що даються двома увігнутими дзеркалами, виявлялися різними. Зсув зображення повинен бути більше там, де швидкість світла менше, оскільки світлу потрібне більше часу для проходження одного і того ж шляху. Досліди показали, що зміщується більше зображення, що дається тим дзеркалом, до якого світло їло через трубу з водою. Звідси слідував висновок про те, що у воді швидкість світла менше ніж в повітрі. В досвіді Фуко було показано, що швидкість світла у воді складає 3/4 швидкості світла в повітрі. Цей результат був дуже важливий. Річ у тому, що відповідно до корпускулярної теорії світла повинна бути більше швидкість світла у воді, а відповідно до хвильової теорії світла — в повітрі. Таким чином, досліди Фуко показали справедливість хвильових уявлень про світло.