§ 3. СКОРОСТЬ СВЕТА

Определение самого главного свойства света, свойства, которое в дальнейшем послужит основой наших последующих рассуждений, именно скорости света, было сделано независимо от противоречий между двумя гипотезами о природе света. Тот факт, что скорость его чрезвычайно велика, был известен из всех наблюдений над распространением света. Галилей предпринял попытку (1607 г.) измерить эту скорость с помощью сигналов фонаря, но попытка оказалась безуспешной, так как свет преодолевает земные расстояния в чрезвычайно короткие промежутки времени. Поэтому такие измерения оказались успешными лишь тогда, когда стали использоваться огромные расстояния между небесными телами в астрономическом пространстве.

Олаф Рёмер (1676 г.) первый вычислил скорость света с из астрономических наблюдений затмений спутников Юпитера. На фиг. 52 изображена ситуация, предшествующая затмению. Затмение имеет место каждый раз, когда спутник Юпитера входит в тень своей планеты. При наблюдении с Юпитера это случается через интервалы равные времени обращения спутника вокруг него. Если расстояние от Юпитера до Земли, то эти сигналы должны достигать Земли за время и если -изменение в течение времени оборота спутника, то земной наблюдатель видит затмения через несколько изменяющийся интервал времени

Периоды обращения, наблюдаемые с Земли, оказываются поэтому длиннее или короче истинных (наблюдаемых с Юпитера) в зависимости от того, увеличивается расстояние или уменьшается.

Время, необходимое для оборотов, при наблюдении с Земли равно

где полное изменение в течение этого времени.

Фиг. 52. Исследование Рёмера. Расстояние между Землей и точкой, где спутник Юпитера входит в тень, равно Так как свет распространяется со скоростью с, то при наблюдении с Земли затмение наступает на время позже, чем для наблюдателя на спутнике Юпитера.

Итак, две неизвестные величины можно определить на основе двух правильно подобранных измерений. Во-первых, измеряется число затмений в интервале времени в течение которого расстояние между Юпитером и Землей стало снова тем же самым. Поскольку Юпитер движется сравнительно медленно, это время будет составлять примерно около года, т. е. время обращения Земли вокруг Солнца по своей орбите. Тогда примерно один год). Отсюда можно найти

Далее подсчитывается число затмений в течение полугода, начиная с положения, когда Юпитер наиболее близок к Земле.

Тогда равно диаметру земной орбиты и мы имеем: или

Время задержки как было установлено, равно 17 мин сек. Отсюда мы получаем Точная величина, к которой Рёмер близко подошел, равна

Джеймс Брэдли открыл ( другой эффект, обусловленный конечностью скорости света, — именно тот факт, что все неподвижные звезды совершают, как оказывается, общее ежегодное движение, представляющее собой, очевидно, одно из проявлений вращения Земли вокруг Солнца. С точки зрения корпускулярной теории очень легко понять происхождение этого эффекта. Мы изложим здесь это истолкование, но мы должны заметить, что именно это явление дает начало ряду трудностей волновой теории, о которой нам предстоит много говорить в дальнейшем.

Мы знаем (гл. III, § 7), что движение, которое представляется равномерным и прямолинейным в нашей системе отсчета должно быть таким же в другой системе если движение последней поступательно относительно Но величина и направление скорости этого движения в двух системах различны. Отсюда следует, что поток частиц света от неподвижной звезды, падающий на Землю, представляется земному наблюдателю идущим в несколько ином направлении. Мы рассмотрим это отклонение, или аберрацию, в частном случае, когда свет падает перпендикулярно направлению движения Земли (фиг. 53). Если Земля покоится, то телескоп должен быть направлен точно на звезду (фиг. 53,а). Но если Земля имеет, например, некоторую скорость в направлении вправо, то в положении, изображенном на фиг. 53, а, звезду невозможно увидеть в телескоп, так как частицы света, которые достигают объектива, будут падать на стенку трубы телескопа, а не в окуляр. Для того чтобы наблюдать звезду, телескоп необходимо повернуть (фиг. 53,б). Пусть телескоп, на объектив которого падает частица света, расположен в положении 1. Теперь в течение того времени, пока свет проходит расстояние I внутри телескопа за время Земля, а с нею и телескоп перемещаются на расстояние достигая положения 2. Частицы света будут попадать в окуляр,

только когда равно смещению телескопа Таким образом,

Угол отклонения телескопа определяется отношением и направление оси телескопа совпадает не с истинным направлением на звезду, а с направлением в точку неба, которая смещена в направлении скорости

Фиг. 53. Явление аберрации. а - наблюдение неподвижной звезды с покоящейся Земли, б — наблюдение неподвижной звезды с движущейся Земли; телескоп должен быть наклонен так, чтобы траектория светового луча, идущего от неподвижной звезды, проходила через объектив и окуляр телескопа.

Отношение называемое константой аберрации, мы будем обозначать

Численная величина этой константы чрезвычайно мала, так как скорость Земли по орбите вокруг Солнца составляет около 30 км/сек, тогда как скорость света с, как уже указывалось, достигает 300000 км/сек. Следовательно, имеет порядок 1 : 10000.

Таким образом, кажущееся положение всех неподвижных звезд всегда несколько смещено в направлении движения Земли в этот момент, и поэтому звезды описывают небольшие эллиптические фигуры в течение годового вращения Земли вокруг Солнца.

Фиг. 54. Установка для измерения скорости света. Луч света, исходящий из точки падает на полупрозрачное зеркало Часть луча проходит через него, а другая часть отражается в направлении к Зеркало отражает падающий на него луч, который при возвращении проходит через а наблюдается в телескопе

С помощью измерений этого эллипса можно найти величину , а поскольку орбитальная скорость Земли известна из астрономических наблюдений, можно вычислить и скорость света. Результат этого вычисления хорошо согласуется с измерениями Рёмера.

Восстановим теперь историческую последовательность событий и дадим краткий обзор земных измерений скорости света. Для определения скорости света требовалось техническое устройство, которое позволяло бы выполнять точные измерения в чрезвычайно короткие промежутки времени, которые затрачивает свет на прохождение расстояний в несколько километров или даже в несколько метров. Физо (1849 г.) и Фуко (1865 г.) выполнили такие измерения, используя два различных метода, и подтвердили численную величину с, полученную астрономическими методами. Мы не будем здесь детально обсуждать их опыты. Обратим только внимание на одно обстоятельство: в обоих экспериментах луч света идет от источника к удаленному зеркалу отражаясь от которого он возвращается к начальной точке (фиг. 54). Свет дважды проходит один и тот же путь, поэтому можно измерить лишь его среднюю скорость за время

движения туда и обратно. Из этого обстоятельства вытекает следующее замечание, которое сыграет важную роль в наших дальнейших рассуждениях: если предположить, что скорости света в прямом и в обратном направлениях неодинаковы вследствие собственного движения Земли (мы рассмотрим этот эффект позднее, в гл. IV, § 9, стр. 127), то его влияние будет надело или частично исключено при движении света туда и обратно. Вследствие малости скорости Земли по сравнению со скоростью света при измерениях последней нет необходимости принимать во внимание движение Земли.

Эти измерения позднее были повторены на более совершенных приборах, и была достигнута еще большая степень точности. В наше время их можно выполнять в небольшой комнате. Результаты совпадают с вышеприведенной величиной (32). Метод Фуко дал возможность измерить скорость света и в воде. Было обнаружено, что эта скорость меньше, чем в воздухе. Таким образом, наиболее важный пункт в споре между корпускулярной и волновой теориями был определенно решен в пользу последней. Но это случилось в то время, когда триумф волновой теории уже стал несомненным в силу доказательств, полученных на другой основе.