Швидкість світла
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Швидкість світла

Швидкість світла у вільному просторі (вакуумі) з, швидкість поширення будь-які електромагнітних хвиль (в т.ч. світлових); одна з фундаментальних фізичних постійних, величезна роль якої в сучасній фізиці визначається тим, що вона є граничною швидкістю поширення будь-яких фізичних дій (див. Відносності теорія ) і інваріантна (тобто не міняється) при переході від однієї системи відліку до іншої. Жодні сигнали не можуть бути передані з швидкістю, більшою з, а з швидкістю з їх можна передати лише у вакуумі. Величина з зв'язує масу і повну енергію матеріального тіла; через неї виражаються перетворення координат, швидкостей і часу при зміні системи відліку ( Лоренца перетворення ) ; вона входить в багато інших співвідношень. Під С. с. в середовищі с'' зазвичай розуміють лише швидкість поширення оптичного випромінювання (світла); вона залежить від заломлення показника середовища n, різного, у свою чергу, для різних частот v випромінювання ( дисперсія світла ) ; с'' (n) = c/n (n) . Ця залежність приводить до відмінності груповій швидкості від фазовій швидкості світла в середовищі, якщо йдеться не про монохроматичному світлі (для С. с. у вакуумі ці дві величини збігаються). Експериментально визначаючи с'', завжди вимірюють групову С. с. або т.з. швидкість сигналу, або швидкість передачі енергії, лише в деяких спеціальних випадках не рівну груповий.

загрузка...

  Як можна точніший вимір величини з надзвичайно поважно не лише в загальнотеоретичному плані і для визначення значень інших фізичних величин, але і для практичних цілей (див. нижчий). Вперше С. с. визначив в 1676 О. До. Ремер по зміні проміжків часу між затьмареннями супутника Юпітера Іо. У 1728 те ж виконав Дж. Брадлей, виходячи зі своїх спостережень аберація світла зірок. На Землі С. с. першим виміряв — за часом проходження світлом точно відомої відстані (бази) — в 1849 А. І. Л. Фізо . (Показник заломлення повітря дуже мало відрізняється від 1, і наземні виміри дають величину, вельми близьку до с.) В досвіді Фізо пучок світла періодично уривався таким, що обертається зубчастим диском, проходіл базу (близько 8 км. ) і, відбившись від дзеркала, повертався на периферію диска ( мал. 1 ). Падаючи при цьому на зубець, світло не досягало спостерігача, потрапляючи в проміжок між зубцями, — реєструвався спостерігачем. По відомих швидкостях обертання диска визначався час проходження світлом бази. Фізо отримав з = 315 300 км/сек.

  В 1862 Же. Б. Л. Фуко реалізував висловлену в 1838 ідею Д. Араго, застосувавши замість зубчастого диска бистровращающєєся (512 об/сек ) дзеркало. Відбиваючись від дзеркала, пучок світла прямував на базу і після повернення знов потрапляв на це ж дзеркало, що встигло обернутися на деякий малий кут ( мал. 2 ). При базі всього в 20 м-коду Фуко знайшов що С. с. рівна 298000 ± 500 км/сек. Схеми і основні ідеї дослідів Фізо і Фуко були багато разів використані на досконалішій технічній основі ін. ученими, що вимірювали С. с. Найбільшого розвитку метод Фуко досяг в роботах А. Майкельсона (1879, 1902, 1926). Отримане їм в 1926 значення з = 299/96 ± 4 км/сек було тоді найточнішим і увійшло до інтернаціональних таблиці фізичних величин.

  Виміри С. с. в 19 ст не лише виконали своє безпосереднє завдання, але і зіграли надзвичайно велику роль у фізиці. Вони додатково підтвердили хвилеву теорію світла (див. Оптика ) , вже досить обгрунтовану іншими експериментами (Фуко, 1850, порівняння С. с. однієї і тієї ж частоти n в повітрі і воді), а також встановили тісний зв'язок оптики з теорією електромагнетизму — виміряна С. с. збіглася із швидкістю електромагнітних хвиль, обчисленою з відношення електромагнітної і електростатичних одиниць електричного заряду (досліди Ст Вебера і Ф. Кольрауша в 1856 і подальші точніші виміри Дж. До. Максвелла ) . Останнє з'явилося одним з відправних пунктів при створенні Максвеллом електромагнітної теорії світла в 1864—73. Крім того, виміри С. с. розкрили глибоке протиріччя в основних теоретичних посилках фізики того часу, пов'язаних з уявленням про світовий ефірі . Ці виміри давали аргументи на користь взаємовиключних гіпотез про поведінку ефіру при русі через нього матеріальних тіл (аналіз явища аберації світла англійським фізиком Дж. Б. Ері в 1871 і Фізо досвід 1851, повторений в 1886 Майкельсоном і Е. Морлі, результати яких підтримували концепцію часткового захоплення ефіру; Майкельсона досвід 1881 і 1887 — останній спільно з Морлі, — що відкинув яке-небудь захоплення ефіру). Вирішити це протиріччя удалося лише в спеціальній теорії відносності (А. Ейнштейн, 1905).

  В сучасних вимірах С. с. використовується модернізований метод Фізо (модуляційний метод) із заміною зубчастого колеса на електрооптичний, дифракційний, інтерференційний або який-небудь інший модулятор світла, повністю перериваючий або ослабляючий світловий пучок (див. Модуляція світла ) . Приймачем випромінювання служить фотоелемент або фотоелектронний помножувач . Вживання лазера як джерело світла, ультразвукового модулятора із стабілізованою частотою і підвищення точності виміру довжини бази дозволили понизити погрішності вимірів і набути значення з = 299792,5 ± 0,15 км/сек. Окрім прямих вимірів С. с. за часом проходження відомої бази широко застосовуються т.з. непрямі методи, що дають ще більшу точність. Так, методом мікрохвильового вакуумованого резонатора (англійський фізик До. Фрум, 1958) при довжині хвилі випромінювання l = 4 см отримане значення з = 299792,5 ±  0,1 км/сек. Погрішність визначення С. с. як приватного від ділення незалежно знайдених l і n атомарних або молекулярних спектральні ліній ще менше. Американський учений К. Івенсон і його співробітники в 1972 за цезієвим стандартом частоти (див. Квантові стандарти частоти ) знайшли з точністю до 11 знаків частоту випромінювання СН 4 -лазера, а за криптоновим стандартом частоти — його довжину хвилі (близько 3,39 мкм ) і отримали з = 299792456,2 ± 0,8 м/сек. До теперішнього часу (1976) за рішенням XII Генеральної асамблеї Міжнародний союзу по радіозв'язку (1957) прийнято вважати С. с. у вакуумі рівної 299792 ± 0,4 км/сек.

  Знання точної величини С. с. має велике практичне значення, зокрема у зв'язку з визначенням відстаней за часом проходження радіо- або світлових сигналів в радіолокації, оптичній локації і дальнометрії. Особливо широко цей метод застосовується в геодезії і в системах стеження за штучними супутниками Землі ; він використаний для точного виміру відстані між Землею і Луной і для вирішення ряду інших завдань.

  Літ.: Вафіаді Ст Р., Попів Ю. Ст, Швидкість світла і її значення в науці і техніці, Мінськ, 1970; Тейлор Би. Н., Паркер Ст, Лангенберг Д., Фундаментальні константи і квантова електродинаміка, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972; Розенберг Р. Ст, Швидкість світла у вакуумі, «Успіхи фізичних наук», 1952, т. 48, ст 4; Froome До. D., «Proceedings of Royal Society», 1958, ser A, v. 247, р. 109; Eveitson K. et al, 1972 Annual Meeting of the Optical Society of America, San Francisco, 1972.

  А. М. Бонч-Бруєвіч.

Мал. 1. Визначення швидкості світла методом «зубчастого колеса» (методом Фізо). S — джерело світла; W — зубчасте колесо, що обертається, із змінною швидкістю обертання і точно відомою шириною зубців і проміжків а між ними; N — напівпрозоре дзеркало; М-код — дзеркало, що відображає; MN — точно виміряна відстань (база); Е — окуляр. Спостерігач реєструє в Е світло найбільшої яскравості, коли час проходження світлом відстані NM і назад дорівнює часу повороту W на ціле число зубців (1, 2, 3 і т. д.). Пучок променів світла при цьому проходіт строго посередині між зубцями як на ділянці NM, так і при зворотному ході MN.

Мал. 2. Визначення швидкості світла методом дзеркала, що обертається (методом Фуко). S — джерело світла; R — бистровращающєєся дзеркало; З — нерухоме увігнуте дзеркало, центр якого збігається з віссю обертання R (тому світло, відбите З, завжди падає назад на R); М-код — напівпрозоре дзеркало; L — об'єктив; Е — окуляр; RC — точно виміряна відстань (база). Пунктиром показані положення R, що змінилося за час проходження світлом дороги RC і назад, і зворотний хід пучка променів через L. L збирає відбитий пучок в точці S’, а не знов в точці S, як це було б при нерухомому дзеркалі R. Швидкість світла встановлюють, вимірюючи зсув SS’.