Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Опыт Фуко. Скорость света в диэлектрических средах

Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) воплотил в своем эксперименте идею, предлагавшуюся для измерения скорости света еще Домиником Араго (1838). Идея состояла в том, чтобы изучать сдвиг светового луча, отраженного от быстро вращающегося зеркала. Араго заострял внимание на этом опыте в связи с желанием поставить эксперимент, который окончательно разрешил бы спор между корпускулярной теорией света Ньютона и волновой теорией Френеля–Гюйгенса. В первой теории скорость света в веществе должна была быть больше, чем в вакууме, а во второй — наоборот.

Схема опыта Фуко 1850 года, которая почти без изменений сохранилась в его же усовершенствованном эксперименте 1862 года, изображена на рисунке ниже. Даже бросив на нее мимолетный взгляд, можно отметить влияние Физо.

Как и в эксперименте Физо, свет от источника  пропускался через полупрозрачную пластину  и коллиматорную линзу . Преобразованный последней в параллельный пучок, он направлялся на вращающееся зеркало . Стационарное вогнутое зеркало  было установлено таким образом, что центр его кривизны лежал на оси вращения зеркала , и поэтому лучи, исходившие от последнего, после отражения от  возвращались в него по тем же траекториям. Наконец, еще раз отразившись от вращающегося зеркала, эти лучи попадали в окуляр . База установки  и частота вращения зеркала  подбирались достаточно большими, чтобы за время  прохождения лучом пути от  к  и обратно зеркало успело повернуться на угол

достаточный для того, чтобы солнечный зайчик на экране сдвинулся из положения  в положение . Действительно, из-за поворота зеркала отраженные лучи (изображенные на схеме пунктиром) будут составлять углы  с падающими. Тогда сдвиг зайчика, находящегося в фокальной плоскости коллиматора , составит

где  — фокусное расстояние линзы . Отсюда скорость света

В опыте Фуко скорость вращения зеркала была очень велика, , зато база была в пределах лаборатории: . Измеряя сдвиги солнечного зайчика от долей до единиц угловой минуты (в угловых единицах), Фуко пришел к значению для скорости света в вакууме, обладавшему поразительной для его времени точностью:

Точность в  не позволяла, однако, сделать вывод о наличии или отсутствии влияния на скорость света движения Земли «относительно неподвижного эфира», поскольку ее орбитальная скорость около . Точность, необходимая для соответствующих выводов, была достигнута в эксперименте Майкельсона–Морли, который уже принадлежит эре теории относительности.

Фуко же сделал другое важнейшее измерение: поместив в пространстве между зеркалами  и  резервуар с водой, он измерил скорость света  в ней. Полученное значение было меньше скорости света в вакууме и согласовывалось с волновой теорией света:

где  — измеренный из опытов по преломлению света (т.е. вычисленный из закона Снеллиуса) показатель преломления стекла. В рамках корпускулярной теории света показатель преломления должен был быть связан с их скоростью в среде прямо противоположным образом: , т.е. для стекла и всех известных веществ . Таким образом, опыт Фуко окончательно утвердил волновую точку зрения на природу света.

<<К предыдущему эксперименту  |  Оптика  |  К следующему эксперименту>>