Теории относительности в физике

Глава 7. Релятивистские теории в оптике.

Теории относительности в физике.

Задача определения скорости света принадлежит к числу важнейших проблем оптики и физики вообще. Решение этой задачи имело огромное принципиальное и практическое значение. Установление того, что скорость распространения света конечна, и измерение этой скорости сделали более конкретными и ясными трудности, стоящие перед различными оптическими теориями. Первые методы определения скорости света, опиравшиеся на астрономические наблюдения, способствовали со своей стороны ясному пониманию чисто астрономических вопросов о затмения отдаленных светил и о годичном параллаксе звезд. Точные лабораторные методы определения скорости света, выработанные впоследствии, используются при геодезической съемке. Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование принципа Допплера в оптике сделали возможным решение задачи о лучевых скоростях светил или движущихся светящихся масс и привели к весьма широким астрономическим обобщением. Сравнение скорости распространения света с константой с максвелловской теории, обозначающей, с одной стороны, отношение между электромагнитными и электростатическими единицами заряда, а с другой – скорость распространения магнитного поля, сыграло важнейшую роль при обосновании электромагнитной теории света. Наконец, вопрос о влиянии движения системы на скорость распространения света и вся обширная совокупность связанных с ним экспериментальных и теоретических проблем привели к формулировке эйнштейновского принципа относительности – одного из самых значительных обобщений теоретической физики, играющего исключительно важную роль и в физике, и в философии.

Основная трудность, на которую наталкивается экспериментатор при определении скорости распространения света, связана с огромным значением этой величины, требующим совсем иных масштабов опыта, чем те, которые имеют место в классических физических измерениях. Одним из первых опытов по определению скорости света был опыт Галилея (1607). Он состоял в том, что два наблюдателя, находившиеся на определенном расстоянии друг от друга открывали по очереди фонари (сначала один, а второй после того, как до него дойдет свет). Потом скорость света было легко посчитать как отношение удвоенного расстояния на время до прихода света от второго фонаря. Конечно, этот опыт был неточен, но он показал, что скорость света очень велика.

Следующим важным опытом по определению скорости света был опыт Ремера (1676), который заключался в наблюдении за затмениями спутников Юпитера. Из этого метода получается результат, равный 301 × 10⁶ м/c.

В 1849 г. Физо впервые выполнил определение скорости света в лабораторных условиях. Характерной особенностью его метода является автоматическая регистрация моментов пуска и вращения сигнала, осуществляемая путем регулярного прерывания светового потока (зубчатое колесо). Позже этот метод был усовершенствован Фуко, который использовал вращающееся зеркало. Но и тот и другой опыты давали достаточно большое отклонение от истинного значения (соответственно 15 000 и 2 000 км/с).

Дальнейшие усовершенствования метода Фуко, при которых улучшалась техника работы с вращающимся зеркалом и увеличивался путь, привели к очень значительному повышению точности, дав в руках Майкельсона весьма хорошие результаты по определению скорости света (299 792 км/c).

Последняя (1926) установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что в результате получено расстояние около 35,4 км. Зеркалом служила восьмигранная стальная призма, вращавшаяся со скоростью 528 об/с.

Время, за которое свет совершал полный путь, равнялось 0,00023 с, так что зеркало успевало повернуться на 1/8 оборота и свет падал на следующую грань призмы. Таким образом смещение зайчика было сравнительно незначительным и определение его положения играло роль поправки а не основной измеряемой величины, как и в первых опытах Фуко, где все смещение достигло лишь 0,7 мм.