Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

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

Опыт Рёмера — первое свидетельство конечности скорости света и ее измерение

Неудивительно, что первое свидетельство о конечности скорости света пришло из астрономии. Огромные расстояния между планетами свет преодолевает за ощутимые времена, что искажает временные интервалы между событиями на других планетах при их наблюдении с Земли.

Действительно, если два события произошли в моменты  и  на расстояниях  и  от Земли соответственно, то разность времен наблюдения этих событий на Земле составит

Оле (Олаф) Кристенсен Рёмер (1644–1710) — голландский астроном и ученик Эразма Бартолина — переехав в Париж, занялся изучением затмений спутника Юпитера Ио, открытого Галилео Галилеем в 1610 году. Эти затмения представляли интерес для Парижской Академии наук, совсем не связанный с оптикой. Затмения данного спутника был интересны как сигнал, позволявший синхронизировать часы одновременно на всем земном шаре. Необходимость точных часов возникала в связи с задачей определения долготы на море: для этого достаточно взглянуть на звездное небо и зафиксировать время — в точках земли с разной долготой звезды будут сдвинуты по окружностям, параллельным эклиптике, на угол, равный долготе. Спутник Ио примерно каждые  заходил в тень, отбрасываемую Юпитером, что наблюдалось с Земли как затмение. Малый период этих затмений позволял синхронизировать часы достаточно часто, до того, как они сбились,  — поэтому использование Ио и было столь заманчивым.

Для точной синхронизации часов по затмениям Ио надо было предсказать, в какие моменты времени они будут происходить. И тут французские астрономы столкнулись с неожиданной проблемой: если считать моменты затмений строго периодическими, то за полгода накапливается разность с предсказываемыми моментами в примерно . В последующие полгода данная разность компенсировалась точной такими же неточностями с обратным знаком. Предполагалось, что согласно законам Кеплера спутник должен был обращаться вокруг Юпитера периодически; учет обращения Юпитера вокруг Солнца, происходящий примерно за 12 лет, также не давал нужной поправки, более того, «задержка» затмений следовала земным сезонам и, поэтому не могла быть связана с движением Юпитера.

Ремер выдвинул неожиданную гипотезу, которая легко объяснила наблюдаемую апериодичность затмений Ио: свет распространяется от Ио к Земле с конечной скоростью , поэтому, если затмения происходят точно с периодом  в моменты времени , на Земле они наблюдаются в моменты , где  — расстояние, которое на пути к Земле проходит световой луч, излученный на Ио в момент затмения , В этом случае разность между двумя моментами наблюдения затмений на Земле

Второе слагаемое в правой части и отвечает за апериодичность. Ремер предположил, что максимальное значение этого слагаемого, возникающее с разницей в полгода, соответствует положениям Земли на орбите, в которых расстояние до Юпитера минимально и максимально (см. рис. выше). В первом приближении можно пренебречь сдвигом Юпитера за земные полгода, и тогда для этих двух положений Земли

где  — радиус орбиты Земли. Учитывая известную из наблюдений годовую невязку , Ремер получил скорость света в вакууме:

Эта оценка была недостаточно точной из-за того, что не учтено движение Юпитера. Кроме того, во времена Ремера не было точных данных о радиусе орбиты Земли, да и запаздывание затмений составляет 16 минут вместо 22, как считалось тогда. Тем не менее, скорость света была вычислена с точностью до 30 процентов, а главное — доказано, что она не бесконечна! С помощью своей модели Ремер вычислил времена наблюдаемых на Землей затмений на несколько месяцев вперед с точностью до одной секунды.

Итак, чисто практическая задача, возникшая в рамках навигации, заставила внести новый физический принцип — конечность скорости распространения света. С новым принципом возникли и новые вопросы: почему эта скорость такая, а не другая, от чего она зависит (если зависит), одинакова ли во всех направлениях, на каких физических явлениях сказывается (например, преломлении)? Изучение этих вопросов продвигало физику до середины двадцатого века и, по сути дела, поступательный импульс еще не иссяк.

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