Швидкість світла у вакуумі ... і не тільки

Людину завжди цікавила природа світла, про що свідчать міфи, легенди, що дійшли до нас філософські суперечки та наукові спостереження. Світло завжди був приводом для дискусій древніх філософів, а спроби його вивчення робилися ще в часи виникнення евклідовой геометрії - за 300 років до н.е. Вже тоді було відомо про прямолінійності поширення світла, рівність кутів падіння і відбиття, явище заломлення світла, обговорювалися причини виникнення веселки. Аристотель вважав, що швидкість світла нескінченно велика, а значить, логічно розмірковуючи, і вимірювання швидкості світла не підлягає обговоренню. Типовий випадок, коли проблема своєю глибиною випереджає епоху розуміння відповіді.

Якихось 900 років тому Авіценна припустив, що якою б великою не була швидкість світла вона, все-таки, має кінцеву величину. Такої думки був не тільки він, але нікому не вдавалося довести це експериментально. Геніальний Галілео Галілей запропонував експеримент механістичного розуміння проблеми: дві людини, які стоять на відстані декількох кілометрів один від одного, подають сигнали, відкриваючи заслінку ліхтаря. Як тільки другий учасник побачить світ від першого ліхтаря, він відкриває свою заслінку і перший учасник фіксує час отримання відповідного світлового сигналу. Потім відстань збільшується і все повторюється. Очікувалося зафіксувати збільшення затримки і на цій основі виконати розрахунок швидкості світла. Експеримент закінчився нічим, тому як «все було не раптово, але надзвичайно швидко».

Першим виміряв швидкість світла у вакуумі в 1676 році астроном Оле Ремер - він скористався відкриттям Галілея: той виявив в 1609 році чотири супутника Юпітера, у яких протягом півроку різниця часу між двома затемненнями супутника становила 1320 секунд. Користуючись астрономічними відомостями свого часу Ремер отримав значення швидкості світла рівним 222000 км в секунду. Приголомшливим виявилося те, що сам метод вимірювання неймовірно точний - застосування нині відомих даних діаметра орбіт Землі, Юпітера і часу запізнювання затемнення супутника дає швидкість світла у вакуумі, на рівні сучасних значень, отриманих іншими способами.

Спочатку до дослідів Ремера була тільки одна претензія - необхідно було провести вимірювання земними засобами. Минуло майже 200 років, і Луї Фізо побудував дотепну установку, в якій промінь світла відбивався від дзеркала на відстані більше 8 км і приходив назад. Тонкість була в тому, що він проходив по дорозі туди-назад через западини зубчастого колеса, і якщо швидкість обертання колеса збільшувати, то настане момент, коли світло перестане бути видно. Решта - справа техніки. Результат виміру - 312000 км в секунду. Ми зараз бачимо, що Физо був ще ближче до істини.

Наступний крок у вимірюванні швидкості світла зробив Фуко, який замінив зубчасте колесо плоским дзеркалом. Це дозволило зменшити габарити установки і збільшити точність вимірювання до 288 тисяч км в секунду. Не меншою важливістю був і пройдений Фуко експеримент, в якому він визначив швидкість світла в середовищі. Для цього між дзеркалами установки була поміщена труба з водою. У цьому досвіді було встановлено зменшення швидкості світла при його поширенні в середовищі залежно від коефіцієнта заломлення.

У другій половині 19-го століття настав час Майкельсона, який присвятив 40 років свого життя вимірюваннями в області світла. Вінцем його роботи стала установка, на якій він виміряв швидкість світла у вакуумі використовуючи вакуумовану металеву трубу довжиною понад півтора кілометрів. Іншим фундаментальним досягненням Майкельсона був доказ того факту, що для будь-якої довжини хвилі швидкість світла у вакуумі однакова і в якості сучасного еталону складає 299792458 +/- 1.2 м / c. Такі вимірювання проводилися на підставі уточнених значень еталонного метра, визначення якого затверджено з 1983 р в якості міжнародного стандарту.

Мудрий Аристотель був неправий, але щоб це довести знадобилося майже 2000 років.