Чтобы наглядно показать ограниченные возможности скорости света, планетолог из Центра космических полетов им. Годдарда NASA Джеймс О’Донохью «оживил» фотоны в трех различных анимациях.

344 года назад была измерена скорость света

Скорость света, составляющая в вакууме примерно 300 тысяч километров в секунду, является максимальной, с которой материальный предмет может перемещаться сквозь космическое пространство. Несомненно, это невероятно быстро, однако это также удручающе медленно при общении с космическими аппаратами на орбитах отличных от Земли планет, зондами, бороздящими межзвездное пространство, а также при изучении объектов и их достижении (в будущем) за пределами Солнечной системы.

Чтобы наглядно показать ограниченные возможности скорости света, планетолог из Центра космических полетов им. Годдарда NASA Джеймс О’Донохью «оживил» его в трех различных анимациях, которые показывают, насколько быстрыми и в то же время медленными могут быть фотоны.

Вокруг Земли

Первый ролик иллюстрирует, как стремительно свет огибает Землю.

Длина окружности Земли (по экватору) составляет примерно 40 тысяч километров. Если бы наша планета не имела атмосферы, то фотон, скользящий по ее поверхности, совершал бы почти 7,5 полных оборотов за 1 секунду. И хотя скорость света при просмотре ролика кажется невероятно быстрой, он также показывает, что она конечна.

От Земли до Луны

Вторая анимация охватывает большее расстояние – от Земли до Луны.

Среднее расстояние между Землей и Луной составляет 384 тысячи километров. Это означает, что лунный свет, который появляется на нашем небе, преодолевает его за 1,255 секунды, а дорога туда и обратно (для обмена данными с орбитальными аппаратами) занимает 2,51 секунды.

Стоит отметить, что это время увеличивается каждый день, поскольку Луна удаляется от нашей планеты на 3,8 сантиметра ежегодно.

От Земли до Марса

И напоследок третий ролик от Джеймса О’Донохью раскрывает все проблемы скорости света, с которыми астрономы по всему миру сталкиваются ежедневно.

При «общении» космических агентств со своими исследовательскими зондами на орбите и поверхности Марса информация передается со скоростью света. Однако она слишком мала для управления ими в режиме «реального времени», поэтому команды, посылаемые космическим аппаратам, должны быть тщательно продуманы, максимально сжаты и направлены в точное время в определенную точку в пространстве, чтобы не «промахнуться».

В момент максимального сближения с Землей расстояние до Марса составляет примерно 54,6 миллиона километров, так что время, затраченное светом на его преодоление в одну сторону, равняется 3 минутам и 2 секундам.

«Еще более явно проблема скорости света проявляется при связи с космическими аппаратами, такими как «New Horizons» и братья «Voyager». И совсем плохо дело обстоит с «общением» в рамках Вселенной, наблюдаемая граница которой находится на расстоянии 45,34 миллиарда световых лет от нас в любом направлении. Слишком много, чтобы отобразить в простой анимации», – отметил Джеймс О’Донохью.

Источник

Почему скорость света постоянна?

Что такое скорость?

Если мы рассматриваем скорость объекта, то надо сначала подумать а что это такое. Скорость это когда что-то перемещается и нам надо узнать как быстро оно это делает. Величина скорости зависит от расстояния пройденного объектом, за определенный промежуток времени. Чем больше величина пройденного расстояния, за один и тот же интервал времени, тем скорость этого объекта выше чем скорость другого. И обратно, мы можем взять одинаковое расстояние и мерить время перемещения. Чем меньше объект затратит время для прохождения пути, тем его скорость выше, чем другого. Значит, чтобы говорить о скорости, надо разобраться с такими понятиями как расстояние и время.

Почему в обычной механики не происходит аномалии в движении, а в квантовой происходит?

В обычной механики, у нас есть метр - для измерения расстояния, секундомер — для измерения времени, и объект который мы видим как движется. Мы измеряем расстояние пути, затем смотрим сколько секунд (минут) понадобилось, чтобы объект переместился на это расстояние, так мы получаем результат измерений - его скорость. Что же не так с квантовым миром? Что врет: наш секундомер, наша линейка или глаз наблюдателя, который ошибается в точности своих измерений. 

Из чего состоит пустота?

Ранее была распространена теория эфира. Что все в этом мире движется по некому эфирному полю или чему-то чем все заполнено. Затем на смену пришла теория вакуума - отсутствия чего-то материального в данном месте. Т.е. исследовав различные среды пришли к выводу, что в некотором пространстве может быть отсутствие всего, там нет никакого эфира заполняющего все во вселенной. Если эфир не нашли, значит его не существует.

Что если эфир не вещество, а пустые ячейки пространства. 

- Как мы представляем пустоту? 

- Это что-то где нет ничего. 

Ну а если пустоту представить как множество пустых ячеек которые мы можем чем-то заполнить. Ячеек определенным образом соединенных между собой, в которых материальный объект перескакивает от одной ячейки к другой.

Кажется понятие абсолютной пустоты и понятие заполненного пространства пустыми ячейками взаимозаменяемые, но это не так!  

- В чем разница между определением пустоты как отсутствием чего-либо и пустоты как огромного множества пустых ячеек соединенных между собой?

- Разница в структуре пространства. 

В пространстве состоящем из пустых ячеек материальный объект не может занимать любое положение, у него нет промежуточного состояния. Он должен либо быть в одной ячейке, либо в следующей, но занимать пространство обоих одновременно, или находится в половине одной и половине другой - не может. При движении происходит перескакивание из одной координаты в другую, а не планомерное движение в пустом пространстве. Такая система - это структурированная координатная сетка или можно сказать мир становится цифровым, в котором есть места для хранения материи, в отличии от теории вакуума, где мир представляется аналоговым, где нет точного позиционирования объекта.

Что следует из теории в которой мир представлен множеством соединенных пустых ячеек? 

Найти и изучить ячейку пространства не возможно, по сути это пустота. Причем ни один микроскоп не способен увидеть эту сетку, т.к. он сам находится внутри нее, сделать что-то мельче пустого пузырька реальности не возможно. Но если мы не можем увидеть пустотную пространственную сетку, еще не значит, что мы не можем ее как-то подтвердить. Такая структура пространства должна себя как-то проявлять.

Одно из таких проявлений структуры пустоты - постоянство скорости света. Его фиксированная максимальная скорость, и изменение скорости течения времени для разных движущихся объектов.

Что такое время?

На этом этапе, мы допустили, что пространство состоит из пустых сегментов, и есть минимальное расстояние перескакивания объекта. Но что же такое время?

Время это изменение объектов в пространстве. 

- Чему равна минимальная единица времени? 

Это период за который объект может перескочить из одного пузыря пространства в другой, за минимальный интервал. 

Из двух вышесказанных предположений мы получаем следствие - максимальная скорость это движение в одном направлении, со скоростью равной перемещению за минимальный интервал времени, объект перескакивает в соседнюю ячейку пространства.

Я не отвечу на вопрос, что такое свет и из чего состоит фотон, но логично предположить, что если он движется с максимально возможной скоростью, то его движение равно перескакиванию в координатной сетке за каждый минимальный отрезок времени. Он движется максимально быстро и ничто его обогнать не может - по крайней мере в прямолинейной скорости, мы не говорим про дыры в пространстве ячеек. 

Свет летит с максимально допустимой скоростью: каждый минимальный момент времени перескакивая в соседнюю ячейку пустого пространства.

Если время это что-то что мы видим как изменение окружающего мира, то оно тесно связано со скорость этого изменения. Чем быстрее мы наблюдаем изменения окружающего мира, тем быстрее идет наше время. Время это кадры реальности, вроде кино-пленки.

- Какая разница во времени между двумя кадрами видео?  

Именно в кадрах проявляется парадокс времени. Мы как наблюдатели кино, не видим скорости смены кадров пленки. Кадры в зависимости от оборудования могут иметь разное их количество в секунду. Например, ранее телевидение использовало 25 кадров в секунду, но сейчас обновление экрана может быть гораздо выше и 30, и 50, и более. Но мы, наблюдатели, видим время фильма, которое имеет относительное значение. По сюжету скорость течения времени в фильме может быть замедлено, или смонтировано так, что пролетят годы за считанные секунды. Нечто подобное происходит в реальности, и мы получаем странные результаты, пытаясь мерить часами наблюдателя, ничего не зная о реальной скорости течения времени.

Нам известен эффект, он проверен и доказан, что при увеличении скорости движения объекта, его время замедляется. У такого объекта как свет — понятие времени вообще отсутствует. В один момент времени он вылетел, в другой момент он уже ударился о что-то твердое и остановился. Причем если свет был разумным и мог наблюдать, то для него не было бы никакого интервала между событиями начала полета и его остановкой, даже если он встретит препятствие через 100 метров или через миллиарды километров. Для света, по сути, нет характеристики времени. Я бы сказал, - "свету некогда смотреть по сторонам, он каждый момент времени совершает движение".

Понятие время появляется лишь тогда, когда объект остановился, чтобы увидеть сменяющиеся кадры вселенной. Чтобы ощутить движение времени, наблюдателю надо замедлить свой темп. Как наблюдатель остановился, сдвинулось окружающее его время.

Что мы имеем в итоге: у каждого объекта во вселенной есть несколько базовых показателей. Во-первых, объект находится в какой-то координате (размещен в ячейке пространства). Во-вторых, имеет скоростно-временную характеристику (как быстро он смещается в ячейках и как часто останавливается). Таким образом, скорость и время неразрывно связаны.

Объяснение почему скорость света постоянна

В статье парадоксы скорости света я привел практический пример измерения скорости света и странный парадокс связанный с ней. Как и кто-бы не измерял скорость света получают одинаковую цифру. При какой модели понимания такое вообще возможно? Внесем немного логики в квантовый механизм.

Чтобы разобраться разберем самый простой пример. Переместим наше исследование в двухмерное пространство — объекты летят в одну сторону по прямой. 

Представим три объекта двигаются в одном направлении:

Первый это фотон (свет) — он летит с максимальной скоростью, как мы решили это скорость: один скачек в пространстве, за минимально возможное время. 
Второй летит 80% от скорости света. 
Третий, - 50% от скорости света.

Наша здравая логика говорит о том, что если взять подобный пример в обычном мире, то для движущихся объектов медленней скорости света, свет должен удаляться на 20% быстрее и на 50% быстрее соответственно. 

Т.е. если мы движемся со скоростью равной половине скорости света, в туже сторону что и фотон стартующий вместе с нами, то он должен удаляться от нас, лишь с половиной скорости света. 

Но что за шутки, в действительности оказывается свет удаляется все с той-же одинаковой скоростью 300 тыс.км. в секунду (значение округлено), равно как и удаляется от любого неподвижного объекта. 

Здесь вспоминается стих Маршака: «Закричал он: - Что за шутки! Еду я вторые сутки, А приехал я назад, А приехал в Ленинград!». 

Дальше больше, даже если сможем создать космический корабль развивающий 98% скорость света, летящий впереди нас свет будет удаляться со скорость 300 тыс.км. в секунду.

Думаю я наглядно показал парадокс постоянства скорости света, который приводит в замешательство понимание процессов квантовой физики, где все не как в обычном материальном мире.

Как я сказал выше, проблема в измерении времени, мы не там подставили линейку и секундомер. Вместо того чтобы измерять время «внутри фильма», его надо мерить между фактическими сменяющимися кадрами реальности.

Квантовый пример на пальцах

Итак, вернемся к нашему примеру. Есть, три объекта: свет и два движущихся с разными скоростями. Для удобства измерения скорости сделаем опыт с фиксированной длинной пути, а измерять мы будем время прохождения объектов.

Возьмем абстрактную величину пути в тысячу минимальных отрезков пространства. Мы договорились, что пустота выглядит как пустые ячейки. Вот ими мы и будем мерить расстояние, самая высокая точность измерения. Время мы будем измерять, с теоретически максимальной точностью, интервалами за который свет пролетает одну ячейку.

Таким образом, фотон летит путь в тысячу отрезков, за тысячу единиц времени (максимальная скорость движения).

Второй объект допустим пролетит путь 1000 отрезков за 1200 единиц времени (чуть медленней чем свет).

Третий объект летел еще медленней и пролетит эту же дистанцию за 1500 единиц времени.

Это измерение будет верным лишь в том, случае если мы рассматриваем данную систему со стороны, с позиции кто видит все так, как есть на самом деле (от абсолютно неподвижного наблюдателя). Для него и свет и объекты подчиняются здравому смыслу и удаляются как им и положено. 

Сразу стоит сделать оговорку, что такого практического наблюдения мы сделать не можем. Дело в том, что мы не способны увидеть все процессы с позиции абсолютно неподвижного наблюдателя. Мы всегда являемся объектами находящимися в движении, у нас всегда есть собственная линия времени. Рассматривать себя как неподвижную точку, также глупо как считать что вся галактика вращается вокруг Земли.

Время обратная величина скорости. 

Для фотона весь полет будет мгновенным. Первая доля секунды наступит лишь тогда, когда свет ударится о финиш и остановится. 

Для второго объекта, когда он коснется финишной черты - пройдет 200 единиц времени. 

Для третьего пройдет 500 единиц времени. 

Т.е. если бы всем объектам эксперимента раздать свой секундомер, то их стрелки показывали бы самое разнообразное время. Причем не важно какой механизм устройства этого секундомера был-бы применен.

В книге Путник сновидений, в четвертой части, я подробно рисовал пошаговую схему движения объектов и у какого объекта сколько времени. Даже изображая графически все сходится. Когда объект не движется, в этот момент времени он видит сменяется кадр мира и его личные часы делают один ход вперед.

Не важно с какой скоростью движется объект, для него свет удаляется с одинаковой скоростью. 

Так-как есть ячейки пространства, то движение происходит не равномерно, а скачкообразно. Объект, прошел расстояние в 1000 интервалов за 1500 единиц времени, значит он останавливался 500 раз и в этот момент видел окружающие изменения. Достигнув финиша, на его часах 500 таких остановок (500 единиц времени). Свет, за это время, ни разу не останавливался, каждый раз сдвигаясь на следующую дистанцию. Таким образом, он всегда удалялся на скорость равную скорости света (один интервал расстояния за одну единицу времени).

С другим объектом, который двигался с чуть большей скоростью, происходило то-же самое, только реже. Он остановился «чтобы осмотреться» всего 200 раз, и каждый раз когда он останавливался, его часы сдвигались, а свет, в этот момент, успевал отдалиться на одно пространственное положение. Что собственно, для этого объекта выглядело, как свет удаляется все с той-же положенной ему скоростью.

Источник

История измерения

Еще в XI веке арабский учёный-универсал Альхазен (Ибн аль-Хайсам) высказался о конечности скорости света. Рене Декарт, исследуя законы преломления, предположил, что в более плотной среде скорость света выше, чем в менее плотной, а его соотечественник Ферма вывел закон преломления из выдвинутого им принципа наименьшего времени, что привело к выводу о конечности скорости света. В 1607 г. Галилео Галилей попытался определить скорость распространения света с помощью следующего простого опыта. Представим себе двух наблюдателей А и В, находящихся на расстоянии l друг от друга и снабженных одинаковыми хорошо выверенными часами. Если наблюдатель А в некоторый момент пошлет световой сигнал (например, быстро откроет заслонку фонаря), а наблюдатель В отметит по своим часам тот момент, когда он увидит этот сигнал, то можно будет определить время т, за которое свет прошел данный путь l, и, следовательно, определить скорость света с=l/t. Опыт можно значительно усовершенствовать и упростить, если вместо второго наблюдателя поместить зеркало. Наблюдатель, открывающий фонарь, отметит также и момент, когда световой сигнал, отразившийся от зеркала, вернется к нему, т. е. пройдет путь 2l. Таким образом удалось бы определить скорость света, располагая лишь одними часами. Однако опыт Галилея как в первом, так и: во втором вариантах не дал определенных результатов. Естественно, что регистрация момента выхода и прихода сигнала делается с некоторыми ошибками. Скорость же света оказалась настолько большой, что время прохождения светом сравнительно небольших расстояний, на которые можно было отдалить пункты А и В, было значительно меньше указанных ошибок. Поэтому принципиально правильный опыт не дал удовлетворительного результата.

В 1668 итальянский и французский астроном, профессор астрономии Болонского университета Джованни Доменико Кассини разработал теорию более точную, нежели старый региомонтановский метод «лунных расстояний», и составил таблицы движения четырех известных тогда галилеевых спутников Юпитера. В ту эпоху это было чрезвычайно ценное пособие для мореплавателей, позволявшее им по наблюдаемому положению спутников определять время на меридиане обсерватории, а отсюда – географическую долготу своего корабля (других методов тогда не было, поскольку механические часы были несовершенны). Продолжив эти наблюдения в Париже, куда переехал в 1669 году (в том же году стал членом Парижской Академии наук) и где руководил строительством Парижской обсерватории, которую возглавлял до конца жизни, он установил, что вблизи соединений Юпитера моменты затмений спутников тенью планеты запаздывают более чем на 10 минут от расчетного времени. Между тем таблицы составлял сам Кассини на основе своей же усовершенствованной теории движения спутников, опиравшейся на его же наблюдения, проведенные в наилучших условиях, когда Юпитер был наиболее близок к Земле, т.е. в противостоянии! Но то, что для директора обсерватории казалось неразрешимой загадкой, его новый молодой помощник, ум которого был более свободен от традиционных представлений, разгадал почти сразу. До этого Дж. Порта, И. Кеплер, Р. Декарт и другие ученые считали скорость света бесконечной. Следует, однако, отметить, что большинство крупнейших ученых того времени, таких, как X. Гюйгенс, Г. В. Лейбниц, И. Ньютон, разделяли взгляды Ремера и ссылались на его открытие. Кстати, скорость света была первой фундаментальной постоянной, вошедшей в арсенал физических констант.

Слева портрет датского астронома Олафа Рёмера. Гравировка на банкноте выполнена с портрета голландско-датского художника Якоба Конинга (Jacob Coning) примерно в 1700 году. Справа Круглая башня (Rundetårn) - обсерватория в составе комплекса университетских зданий, который был возведён в приходе копенгагенской церкви Троицы по приказу короля Кристиана IV в середине XVII века.

Национальный банк Дании 7 октября 2013 года выпустил в обращение серию из 4 монет 2х видов (серебряные (номинал 500 крон) и из сплава алюминия и цинка (20 крон)), приуроченную к юбилею одного из величайших открытий в мировой науке – 100-летию публикации статьи Нильса Бора «О строении атомов и молекул». Одна из монет посвящена Олафу Кристенсену Рёмеру (1644-1710 гг.), который первым измерил скорость света, на реверсе выгравирован год – «1675» - 22 ноября 1675 года в Парижской академии Рёмер представил первый отчет о своем открытии.

В 1671 году Олаф Рёмер (1644—1710) - на тот момент окончивший Копенгагенский университет и ставший помощником своего учителя и тестя, известного физика Расмуса Бартолина - переехал в Париж, по приглашению пораженного его способностями и начитанностью парижского астронома Жана Пикара, одного из членов-учредителей Парижской АН (1666), которому юноша так же помогал в работе: поисках на острове Вэн Ураниенборга - знаменитой обсерватории основоположника точной наблюдательной астрономии в Европе нового времени Тихо Браге, от которой к тому времени осталась лишь... яма, наполненная мусором - для чего собственно и прибыл знаменитый астроном в Данию. В Париже Рёмер стал сотрудником обсерватории под руководством Джованни Кассини и конечно же узнал о "причудах" Юпитера. В 1675 объяснил этот факт конечностью скорости распространения света, основываясь на ряде наблюдений, произведенных им и Кассини над затмениями первого спутника Юпитера Ио. Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчетами на 22 минуты. В первом случае луч света проходил путь меньший, а во втором — больший на величину хорды, близкой к поперечнику земной орбиты. Рёмер сделал смелый, шедший вразрез со «здравым смыслом» вывод: свет распространяется с конечной скоростью! Определив, что свет проходит расстояние от Земли до Солнца за 11 минут (в действительности – за 8.3 мин), он впервые оценил таким образом скорость света, значение которой вычислил как 220000 км/сек неточное, но по порядку величины близкое к истинному. Первый отчет о своем открытии Рёмер представил в Парижскую академию 22 ноября 1675 года. Вскоре после того, в короткой статье, он заявил, что «…для расстояния около 3000 лиг, близкого к величине диаметра Земли, свету нужно не одну секунду времени…». Тому же предмету он посвятил мемуар "Démonstration touchant le mouvement de la lumière" ("Старые мемуары парижской академии наук", тт. I и X).

Рисунок из статьи Рёмера 1676 года

Вот что по этому поводу сказал Лео Таксиль в своей "Забавной Библии":

"Но вот еще странная история: благодаря правильной подаче света прошло уже три дня с утрами и вечерами. И этот свет, в конце дня уступающий место ночным потемкам, освещал зарождающийся мир без всякого видимого источника: ни о каком Солнце речи еще не было. Оно просто пока отсутствовало. Эта штука стоит длинной цитаты из Библии: "И сказал бог: да будут светила на тверди небесной (для освещения земли и) для отделения дня от ночи, и для знамений, и времен, и дней, и годов; и да будут они светильниками на тверди небесной, чтобы светить на землю. И стало так. И создал бог два светила великие: светило большее, для управления днем, и светило меньшее, для управления ночью, и звезды; и поставил их бог на тверди небесной, чтобы светить на землю, и управлять днем и ночью, и отделять свет от тьмы. И увидел бог, что это хорошо. И был вечер, и было утро: день четвертый" (Бытие глава 1, стих 14-19).
Никаких сомнений, не правда ли? Речь идет о Солнце и Луне. Следовательно, согласно Библии, разделение суток на день и ночь существовало уже до появления Солнца, которое было "создано" богом на четвертый день после появления света.
Зачем же "святой дух" продиктовал Моисею эти сногсшибательные фантазии относительно Солнца и света? Дело объясняется просто: до конца семнадцатого века даже ученые полагали, что Солнце не дает света, а только "пропускает" его; свет же существует сам по себе. Даже знаменитый французский мыслитель Рене Декарт разделял это заблуждение.
Датскому астроному Олафу Ремеру (1644-1710) наука обязана открытием важной истины, совершенно противоположной указаниям Библии: свет, проливающийся на наш мир, исходит от Солнца, и распространение его не мгновенное. Ремер определил скорость света, установив - и ныне это многократно доказано, - что свет доходит от Солнца до Земли за 8 минут 18 секунд, то есть имеет скорость почти в 300 тысяч километров в секунду. Он пришел к своему открытию путем наблюдения и изучения затмений спутников Юпитера - планеты, входящей в состав нашей солнечной системы. Ремер проживал тогда во Франции и сделал о своих открытиях сообщение в Парижской академии 22 ноября 1675 года."

Кассини отрекся от революционного вывода. Но Рёмер продолжил наблюдения, уверенный в своей правоте. Ему вскоре последовали и другие астрономы. Первая количественная оценка Рёмером скорости света была такая: свет проходит расстояние от Земли до Солнца за 11 минут. При имевшейся оценке этого расстояния Дж. Кассини (ок. 140 млн км) для скорости света получалась величина ~ 210 000 км/с — чудовищно огромная по сравнению со всеми известными движениями на Земле, но, главное, не бесконечная! (И даже, как мы видим, заниженная, отчасти из-за неточности знания а. е.) И хотя вплоть до середины XIX в. явление света оставалось еще загадочным по своей природе, представления о которой не раз менялись коренным образом, оно после открытия Рёмера прочно вошло в круг обычных физических, т. е. подчиняющихся физическим законам явлений.

Открытие Рёмера неимоверно обогатило не только физическую, но и астрономическую картину мира и открыло новые горизонты для познания Вселенной. Появилась возможность по времени движения света от светил измерять расстояния до них. Выяснился тот удивительный факт, что наблюдаемые нами все небесные объекты мы видим лишь... в их прошлом состоянии. Это главное открытие Рёмера — конечности скорости света — принесло ему мировую известность, сделало его членом Парижской академии наук. Он был приглашен учителем к королевскому наследнику. Но, увы! Все это не избавило ученого от религиозных притеснений: протестант Рёмер должен был в 1681 г. покинуть католическую Францию и вернуться в Копенгаген. На родине он продолжил научную деятельность как профессор математики университета (до 1705 г.), активно занимаясь астрономическими наблюдениями как у себя дома, так и в университетской обсерватории, используя усовершенствованные инструменты, сделанные по его чертежам: астрономия обязана ему появлением или усовершенствованием 54 инструментов и приборов, в том числе изобретением пассажного инструмента и меридианного круга, экваториала с часовым кругом и дугой склонений. С их помощью он произвел целый ряд замечательных исследований: определил склонения и прямые восхождения более 1000 звёзд; делал в течение 17 или 18 лет наблюдения, которые, по его мнению, должны были привести к определению годичных параллаксов неподвижных звезд и проч. Из инструментов, изобретённых Рёмером, большим распространением в конце XVII веке пользовался микрометр, употребляемый при наблюдении затмений и имеющий очень остроумное устройство. Недаром его называли «северным Архимедом». Сам Лейбниц советовался с ним относительно оборудования обсерватории — его лич­ная бы­ла об­раз­цом. К сожалению, инструменты Ремера погибли во время пожара 1728 года (ученику и преемнику Рёмера по управлению обсерваторией, Горребову, удалось спасти только незначительную часть рукописей Рёмера, что затем в 1735 году было им напечатано в его сочинении "Basis Astronomiae, seu Astronomiae pars mechanica"). Кроме того Рёмер известен как общественник - он занимал важные государственные посты, вплоть до полицеймейстера и бургомистра Копенгагена (1705 г.), а в конце жизни стал даже се­на­то­ром и главой государственного Совета. По его инициативе 1 мая 1683 года в Дании была введена общая для всей страны система мер и весов; введен новый, григорианский календарь. Немалой была его роль и в развитии отечественной промышленности, торговли, судоходства, артиллерийского дела. В технике Рёмеру принадлежит изобретение наиболее эффективной формы зубцов в зубчатых колесах (эпициклоидальной). Кстати, Рёмер первым предложил поставить уличные фонари на улицах Копенгагена. Умер О. Рёмер 8 (19) сентября 1710 г. так и не дожив до окончательного подтверждения его выводов о скорости света. Имя его нанесено на карту Луны.

Многие рассчитали скорость света по его данным, первым из которых был Христиан Гюйгенс. После переписки с Рёмером, используя большее количество данных, Гюйгенс предположил, что свет распространяется со скоростью 16,6 диаметров Земли в секунду. Если бы Рёмер использовал свои собственные оценки расстояния от Земли до Солнца, он получил бы скорость света около 135000 км/с.

James Bradley by Thomas Hudson

Окончательно подтвердил теорию Рёмера и одновременно снял возражения Декарта один из известнейших английских астрономов Джеймсом Бредли (1693-1762) спустя полвека после сенсационного открытия, в 1725 г., когда он, пытаясь найти параллакс некоторых звезд, обнаружил, что в своей кульминации они кажутся отклоненными к югу. Наблюдения, продолжавшиеся до 1728 г., показали, что в течение года эти звезды как бы описывают эллипс. Бредли интерпретировал это явление, названное в 1729 г. Евстахием Манфреди аберрацией, как результат сложения скорости света, идущего от звезды со скоростью орбитального движения Земли. Полученное Брэдли значение составило 308000 км/с. В 1809, используя наблюдения Ио, но на этот раз более точные, астроном Деламбр вычисляет время, необходимое свету на преодоление расстояния от Солнца до Земли, равное 8 мин и 12 с. В зависимости от значения, взятого за астрономическую единицу, это дает скорость света чуть более 300000 км/с.

Английский физик и талантливый изобретатель Чарльз Уитстон (1802-1875) в 1834 г. собрал установку для измерения скорости света в закрытом помещении, в которой задействовал три лейденские банки, служившие источниками световых разрядов. Перед ними он установил тонкое и легкое вращающееся зеркало. По сливающимся линиям от световых источников он определял получившееся число оборотов отражателя, после чего рассчитывал скорость прохождения лучами света известного расстояния. В современной литературе сообщают о получении Уитстоном результата в 464 000 км/с. Ознакомившись с остроумным прибором Уитстона, Доминик Франсуа Жан Араго быстро сообразил, что подобным устройством можно определить скорость света, и представил в 1838 году план новых опытов. Механик Бреге занялся изготовлением этих приборов, но тут встретилось множество затруднений, и только в 1850 году ему удалось добиться удовлетворительных результатов, но к этому времени у Араго сильно ослабло зрение, так что он не мог приняться за опыты. На заседании Института 29 апреля 1850 года он откровенно заявил: «я принуждён ограничиться только изложением задачи и указанием на верные способы её решения».

Схема опыта Физо

Впервые измерения скорости света, основанные на определении времени прохождения светом точно измеренного расстояния в земных условиях, выполнил в 1849 году знаменитый французский физик, член Парижской АН Арман Ипполит Луи Физо. В своих экспериментах Физо использовал разработанный им «метод прерываний», при этом расстояние, преодолеваемое светом, составляло 8,63 км. Полученное в результате выполненных измерений значение оказалось равным 313300 км/с. В дальнейшем метод прерываний значительно усовершенствовали и использовали для измерений Мари-Альфред Корню (1876 г., скорость света в воздухе 300330 км/с), Анри-Жозеф Перротен (1902 г.) и Э. Бергштранд. Измерения, выполненные Э. Бергштрандом в 1950 году, дали для скорости света значение 299793,1 км/с, при этом точность измерений была доведена до 0,25 км/с.

Схема опыта Фуко

Другой лабораторный метод («метод вращающегося зеркала»), идея которого была высказана в 1838 году Араго, в 1862 году осуществил Жан Бернар Леон Фуко. Измеряя малые промежутки времени с помощью вращающегося с большой скоростью (512 об/с) зеркала, он получил для скорости света значение 298000 км/с с погрешностью 500 км/с. Длина базы в экспериментах Фуко была сравнительно небольшой — 20 метров. В последующем за счёт совершенствования техники эксперимента, увеличения используемой базы и более точного определения её длины точность измерений с помощью метода вращающегося зеркала была существенно повышена. Так, Саймон Ньюком в 1891 году получил значение 299810 км/с с рекордной для того времени погрешностью 50 км/с, а Альберту Абрахаму Майкельсону, почти всю жизнь посвятившему измерению скорости света, в 1926 году удалось понизить погрешность до 4 км/с и получить для скорости величину 299796 км/с. В своих экспериментах Майкельсон использовал базу, равную 35373,21 м. Майкельсон говорил: «Тот факт, что скорость света непостижима для человеческого представления и, с другой стороны, существование принципиальной возможности ее измерения с чрезвычайной точностью, делают эту задачу одной из самых увлекательных проблем, когда-либо стоявших перед исследователем».

После того, как Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою теорию электромагнетизма, стало возможно измерять скорость света косвенными методами, через измерение магнитной восприимчивости и электрической проницаемости пустоты. В 1846 г. Вильгельм Эдуард Вебер указал на упорядоченное движение электрических зарядов в проводнике с большой скоростью. Десятью годами позже (1856 г.) он совместно с германским физиком Фридрихом Вильгельмом Георгом Кольрауш Кольраушем провел экспериментальную проверку скорости перемещения зарядов в тонком металлическом проводе. Оказалось, что она близка (310740 км/с) к скорости света. В 1907 г. Роза и Дорси получили таким способом 299788 км/с. Тогда это было самое точное значение. Работы, выполненные Вебером, Кольраушем, Уитстоном во второй половине XIX века, для ученого мира служили безусловным указанием на общность оптических, электрических и магнитных природных явлений. Кроме того, измерения скорости света вскрыли глубокое противоречие в основных теоретических посылках физики того времени, связанных с представлением о мировом эфире. Эти измерения давали аргументы в пользу взаимоисключающих гипотез о поведении эфира при движении через него материальных тел (анализ явления аберрации света английским физиком Дж. Б. Эри в 1871 и Физо опыт 1851, повторённый в 1886 Майкельсоном и Э. Морли, результаты которых поддерживали концепцию частичного увлечения эфира; Майкельсона опыт 1881 и 1887 - последний совместно с Морли, - отвергший какое-либо увлечение эфира). Разрешить это противоречие удалось лишь в специальной теории относительности (А. Эйнштейн, 1905).

После 1927 года появилось множество измерений скорости света при помощи новых, электро-оптических методов, которые дали существенно меньшие значения скорости света, чем определённое Майкельсоном оптическим методом в 1926 году. Майкельсон продолжал искать метод измерения, который бы исключил влияние атмосферных возмущений. В 1930 году он приступил, совместно с Фрэнсисом Пизом и Фредом Пирсоном, к измерению скорости света в вакуумированных трубах длиной 1,6 км. Майкельсон умер после 36-го из всего 233 проведённых измерений. Проведению эксперимента мешали в основном геологические нестабильности и конденсация в трубах. В конце концов, эксперименты дали значение 299774±11 км/с, совпадавшее с результатами электро-оптических методов.

Разрабатывали много способов, чтобы еще повысить точность измерений. Вскоре даже стало нужно учитывать показатель преломления в воздухе. В 1947 Эссен Горден-Смит, используя кавитационный резонатор, получил значение 299792 км/с, а в 1958 г. Фрум, применяя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор (ячейку Керра), - 299792,5 км/с . Дальнейший прогресс был связан с появлением мазеров и лазеров, которые отличаются очень высокой стабильностью частоты излучения, а также точных цезиевых часов, что позволило определять скорость света одновременным измерением длины волны и частоты их излучения. В начале 1970-х годов погрешность измерений скорости света приблизилась к 1 м/с. После проверки и согласования результатов, полученных в различных лабораториях, XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299792458 м/с, с относительной погрешностью (неопределённостью) 4·10^-9, что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с. Существенно, что дальнейшее повышение точности измерений стало невозможным в силу обстоятельств принципиального характера: ограничивающим фактором стала величина неопределённости реализации определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность «изготовления» эталона метра, относительное значение которой составляло 4·10^-9. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света и определив метр как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299792458 секунды. Из-за этого скорость света получается равной в точности 299 792,458 км/сек. Поскольку дюйм определен как 2,54 сантиметра, то и в неметрических единицах у нее тоже точное значение. Определить единицы длины таким образом имело смысл только потому, что скорость света в вакууме постоянна; а вот для подтверждения этого факта опыты все еще нужны. Кроме того, опыты все еще нужны для измерения скорости света в средах, вроде воздуха и воды.

Ну а желающим измерить скорость света пусть и не так точно, зато недорого, предлагаю воспользоваться известным опытом с шоколадкой (или сосиской) и микроволновкой.
Что делать? Выньте из микроволновки поворотный поддон — плитка шоколада должна лежать неподвижно. Положите шоколадку в микроволновку и облучайте при большой мощности, пока шоколад не начнет таять в двух-трех местах. Как правило, для этого требуется примерно 40 секунд. Самое большее через 60 секунд выключите микроволновку по соображениям безопасности.
Что можно наблюдать? Поскольку шоколад не вращается, микроволны распределяются неравномерно. В так называемых горячих точках, подвергшихся наиболее интенсивному облучению, шоколад начнет таять раньше. Выньте плитку из печки и измерьте расстояние между двумя очагами таяния.
Что происходит? Для расчетов нам понадобится показатель частоты микроволн. Стандартная микроволновка дает частоту 2,45 ГГц (эту цифру можно найти на задней панели печки или в инструкции к ней). Если частота микроволн вашей печки 2,45 ГГц, это означает, что количество колебаний микроволн достигает 2450 млн в секунду (возьмите конкретную цифру для своей микроволновки). Микроволны — это электромагнитное излучение, следовательно, они перемещаются со скоростью света. Если частота микроволн известна, можно определить их длину, которая поможет вычислить скорость перемещения.
В этом нам поможет плитка шоколада. Расстояние между очагами таяния шоколада равно половине длины микроволны вашей печки. Следовательно, если мы умножим на два расстояние между очагами таяния, то получим длину микроволн. В экспериментальной печке расстояние между очагами таяния в шоколаде составило 6 см, следовательно, при частоте 2,45 ГГц длина волны равна 12 см.
Для вычисления скорости света в сантиметрах в секунду надо умножить полученную длину волны на частоту микроволн: 12 х 2450000000 = 29400000000. Результат будет очень близким к истинной скорости света, равной 29979245800 см/с (или 299792458 м/с).
Попробуйте сами, измерьте расстояние как можно точнее, чтобы получить цифру, еще более близкую к истинной скорости света. Если перед помещением в микроволновку плитка шоколада была охлаждена, очаги таяния при первом появлении будут видны отчетливее. Разумеется, повторение опыта с разным, но неизменно вкусным при подтаивании шоколадом поможет вам в исследованиях. Настоящие ученые знают, что результаты экспериментов необходимо многократно проверять.

Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения других физических величин, но и для практических целей. К ним, в частности, относится определение расстояний по времени прохождения радио и световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии, в системах слежения за ИСЗ и т.д.

Считается, что скорость света - предельная скорость вселенной. Конечно нельзя быть уверенным в правильности таких утверждений, ведь все, что мы знаем о процессах происходящих вокруг нас в далеком космосе, не более чем общепринятые гипотезы. Колоссальная с точки зрения наших земных масштабов скорость света не так уж велика в масштабах астрономических. Здесь время распространения света измеряется значительными числами. Так, свет идет от Солнца до Земли около 8 мин, а от ближайшей звезды — около 4 лет. За год свет проходит путь примерно в 1013 км. Эта величина оказывается удобной в качестве единицы длины для огромных астрономических расстояний; она называется световым годом.

Источник