Скорость света

Итак, корпускулярная теория приписывает свету большую скорость в более плотных средах, тогда как волновая - наоборот. Поскольку Араго не окончательно верил в волновую теорию, он предложил провести критический опыт, чтобы установить, какая из этих теорий справедлива.[20]

Физо (1819-1896). Принципиально опыт Физо был подобен опыту Галилея. Луч проходит в щель между зубцами колеса, вращающегося с большой скоростью. Отраженный луч идет ему навстречу. Базовое расстояние 8633 м. Вращением колеса добиваются, чтобы обратный луч попадал в следующую щель. Значение скорости света, полученное Физо, 313274304 м/с. Последующие проверки уточняли это значение вплоть до Андерсона (1941). Физо и Фуко сначала вместе, потом по отдельности пытались измерить скорость света в средах. Фуко выиграл соревнование в 1850 году с помощью установки, содержащей вращающееся зеркало. База установки составляла несколько метров.

В этом же направлении был важен опыт, поставленный впервые А. Майкельсоном в 1881 с целью измерения влияния движения Земли на скорость света. Отрицательный результат был одним из основных экспериментальных фактов, которые легли в основу теории относительности.

Измерения скорости света сыграли большую роль в физике, дополнительно утвердив волновую теорию света. Была установлена связь оптики с электромагнетизмом, поскольку скорость света совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитной и электростатической единиц электрического заряда. Это совпадение послужило одним из отправных пунктов при создании Максвеллом в 1864-1873 гг. электромагнитной теории света.

В современных измерениях скорости света используется модернизированный метод Физо (модуляционный метод) с заменой зубчатого колеса на электрооптический, дифракционный, интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. С ещё меньшей погрешностью определяется скорость света как частное от деления независимо найденных длины волны и частоты атомарных или молекулярных спектральных линий. К. Ивенсон и его сотрудники в 1972 по цезиевому стандарту частоты нашли с точностью до 11-го знака частоту излучения СН₄-лазера, а по криптоновому стандарту частоты - его длину волны (около 3,39 мкм) и получили ± 0,8 м/с.

Генеральная ассамблеи Международного комитета по численным данным для науки и техники (CODATA, 1973) приняла скорость света равной с = 299792458 1,2 м/с. Наземные измерения систематически дают большее значение с, чем астрономические. Причина этого неизвестна.

Все проведенные измерения показали, что показатель преломления среды не равен точно отношению скоростей света в пустоте и в рассматриваемой среде, как того требует теория Френеля. Это расхождение объяснил в 1881 году Рэлей, который ввел понятие фазовой скорости, т. е. не наблюдаемой указанными методами скорости строго монохроматической волны, и “групповой скорости”, скорости гребня волны, получающейся в результате наложения большого числа монохроматических волн. В описанных опытах как раз и измеряется скорость групповая в диспергирующей среде, которая не совпадает с фазовой.

Поскольку физические теории никогда не бывают окончательными, блестящая теория Френеля просуществовала около 20 лет, после чего начались осложнения.

Эфир

Гипотеза упругих колебаний поставила вопрос о движении эфира. Астрономические опыты Араго показали, что движения эфира нет, т.е. вращение Земли не оказывает заметного влияния на результаты измерений. Этот результат оказался несовместимым с корпускулярной теорией, поэтому Араго обратился к Френелю с вопросом, совместим ли он с волновой теорией. Френель ответил положительно, если учитывать частичное увлечение эфира при вращении Земли вокруг своей оси.

Для световых волн имели значение акустические аналогии. Так, влияние движения источника звука было изучено Христианом Допплером (1803-1853), который показал, что приближение источника приводит к уменьшению периода колебаний, а удаление - к его увеличению (“красное” смещение в оптике).

В 1848 г. Физо предложил использовать этот эффект (эффект Допплера - Физо) для измерения радиальной составляющей скорости звезд по смещению их спектральных линий. Эффект Допплера тоже как будто подтверждал гипотезу Френеля о частичном увлечении эфира Землей.

Этой проблемой, как уже отмечалось, занимался и Майкельсон. В его установке луч разделялся на две взаимно перпендикулярных составляющих и затем вновь собирался. Если Земля движется относительно эфира (эфирный ветер), то должна была бы наблюдаться интерференционная картина. Но ее не было, следовательно, эфир полностью увлекается Землей. Однако явление аберрации света показало, что эфир неподвижен. Впоследствии это противоречие привело к созданию теории относительности.