Як вимірюють швидкість світла?

У 1676 датський астроном Оле Ремер зробив перший грубу оцінку швидкості світла. Ремер зауважив слабке розбіжність в тривалості затемнень супутників Юпітера і зробив висновок, що рух Землі, або наближається до Юпітера, або віддаляється від нього, змінювало відстань, яку доводилося проходити світлу, відбитому від супутників.

Вимірявши величину цієї розбіжності, Ремер підрахував, що швидкість світла становить 219911 кілометрів на секунду. У більш пізньому експерименті в 1849 році французький фізик Арман Фізо отримав, що швидкість світла дорівнює 312 873 кілометрам в секунду.

Як показано на малюнку вгорі, експериментальна установка Физо складалася з джерела світла, напівпрозорого дзеркала, яке відображає тільки половину падаючого на нього світла, дозволяючи решті проходити далі обертового зубчастого колеса і нерухомого дзеркала. Коли світло потрапляв на напівпрозоре дзеркало, він відбивався на зубчасте колесо, яке розділяло світло на пучки. Пройшовши через систему фокусирующих лінз, кожен світловий пучок відбивався від нерухомого дзеркала і повертався назад до зубчастому колесу. Провівши точні вимірювання швидкості обертання, при якій зубчасте колесо блокувало відображені пучки, Фізо зміг обчислити швидкість світла. Його колега Жан Фуко рік потому удосконалив цей метод і отримав, що швидкість світла становить 297878 кілометрів на секунду. Це значення мало відрізняється від сучасної величини 299792 кілометрів на секунду, яка обчислюється шляхом перемноження довжини хвилі і частоти лазерного випромінювання.

Експеримент Фізо

Як показано на малюнках вгорі, світло проходить вперед і повертається назад через один і той же проміжок між зубцями колеса в тому випадку, якщо воно обертається повільно (нижній малюнок). Якщо колесо обертається швидко (верхній малюнок), сусідній зубець блокує повертається світло.

Результати Физо

Розмістивши дзеркало на відстані 8,64 кілометра від зубчастого колеса, Фізо визначив, що швидкість обертання зубчастого колеса, необхідна для блокування повертається світлового пучка, становила 12,6 оборотів в секунду. Знаючи ці цифри, а також відстань, пройдену світлом, і відстань, яку повинно було пройти зубчасте колесо, щоб блокувати світловий пучок (рівне ширині проміжку між зубцями колеса), він обчислив, що світловому пучку потурбувалися 0,000055 секунди на те, щоб пройти відстань від зубчастого колеса до дзеркала і назад. Розділивши на цей час загальна відстань 17,28 кілометра, пройдена світлом, Фізо отримав для його швидкості значення 312873 кілометра в секунду.

Експеримент Фуко

У 1850 році французький фізик Жан Фуко удосконалив техніку Фізо, замінивши зубчасте колесо на обертається дзеркало. Світло з джерела доходив до спостерігача тільки в тому випадку, коли дзеркало здійснювало повний оберт на 360 ° за проміжок часу між відправленням і поверненням світлового променя. Використовуючи цей метод, Фуко отримав для швидкості світла значення 297 878 ​​кілометрів на секунду.

Фінальний акорд у вимірах швидкості світла.

Винахід лазерів дало можливість фізикам виміряти швидкість світла з набагато більшою точністю, ніж коли або раніше. У 1972 році вчені з Національного інституту стандартів і технології ретельно виміряли довжину хвилі і частоту лазерного променя і зафіксували швидкість світла, твір цих двох змінних, на величині 299792458 метрів в секунду (186282 милі в секунду). Одним з наслідків цього нового виміру було рішення Генеральної конференції мір і ваг прийняти в якості еталонного метра (3,3 фута) відстань, яку світло проходить за 1/299792458 секунди. Таким чином / швидкість світла, найбільш важлива фундаментальна постійна у фізиці, зараз обчислюється з дуже високою достовірністю, а еталонний метр може бути визначений набагато більш точно, ніж будь-коли раніше.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 3.50 out of 5)

Як вимірюють швидкість світла?