Юный техник, 2015 № 03

ПОЛИГОН Как измерить скорость света?

Большинство древних ученых, включая Аристотеля, полагали, что скорость света бесконечно велика, поскольку они не могли ее измерить. Лишь около 900 лет тому назад арабский ученый Авиценна высказал предположение, что, хотя скорость света и огромна, она все же должна быть величиной конечной. Первым, кто попытался ее измерить, был итальянец Галилео Галилей. Схема его опыта была такова. Два человека, стоящие на вершинах холмов на расстоянии нескольких километров друг от друга, должны подавать сигналы с помощью фонарей, снабженных заслонками, и засекать разницу времени между моментом, когда заслонка была открыта, и тем моментом, когда вспышку света заметил другой экспериментатор. Но на практике из этой затеи ничего не вышло, поскольку не было столь точного измерителя времени, да и скорость реакции самих экспериментаторов чересчур мала.

Первый практический эксперимент поставил в 1676 году молодой датский ученый Оле Рёмер. Как и другие астрономы того времени, Рёмер знал, что период между двумя затмениями ближайшего к Юпитеру спутника изменяется в течение года! Причем наблюдения из одного и того же пункта, отделенные сроком в полгода, дают максимальную разницу в 1 320 с. Эти 1 320 с были загадкой для астрономов, никто не мог найти им удовлетворительного объяснения. Казалось, существовала какая-то зависимость между периодом обращения спутника и положением Земли на орбите относительно Юпитера. И вот Рёмер, обстоятельно проверив все эти наблюдения и расчеты, неожиданно просто решил загадку.

Рёмер допустил, что 1 320 с (или 22 мин) — это то время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от ближайшего к Юпитеру положения Земли на орбите до положения, наиболее отдаленного от Юпитера, где Земля оказывается через полгода. Иными словами, дополнительное расстояние, которое проходит свет, отраженный от спутника Юпитера, равно диаметру орбиты Земли.

Во времена Рёмера диаметр орбиты Земли считался равным примерно 182 млн. миль (292 млн. км). Разделив это расстояние на 1 320 с, Рёмер получил, что скорость света равна 138 000 миль (222 км) / с.

Теперь мы знаем, что максимальное запаздывание затмения спутника равно не 22 мин, как думал Рёмер, а примерно 16 мин 36 с, а диаметр орбиты Земли приближенно равен не 292 млн. км, а 300 млн. км. Если внести эти поправки в расчет Рёмера, получается, что скорость света равна 300 000 км/с, а этот результат близок к современным данным.

Скорость света в наземных условиях первым измерил в 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо. Для этого он придумал довольно простой способ (см. схему). Физо направлял из источника световой луч в зеркало В, затем этот луч отражался на зеркало А. Одно зеркало было установлено в Сюрене, в доме отца Физо, а другое — на Монмартре в Париже; расстояние между зеркалами составляло приблизительно 8,66 км. Между зеркалами А и В помещалось зубчатое колесо, которое можно было вращать с заданной скоростью (принцип стробоскопа). Зубцы вращавшегося колеса прерывали световой луч, разбивая его на импульсы. Таким образом посылалась цепь коротких вспышек.

Свет проходит расстояние между зеркалами и обратно за то время, пока колесо с 720 зубцами повернется от одного промежутка между зубцами до другого, то есть за 1/25x1/720, что составляет 1/18 000 с. Пройденное расстояние равно удвоенному расстоянию между зеркалами, то есть 17,32 км. Отсюда скорость света равна примерно 312 000 км/с.

Тринадцать лет спустя Жан Бернар Леон Фуко определил скорость света несколько иным способом. Вместо зубчатого колеса он применил вращающееся зеркало. «Если зеркало С неподвижно или очень медленно поворачивается, свет отражается на полупрозрачное зеркало В по направлению, указанному сплошной линией, — рассуждал Фуко. — Когда зеркало быстро вращается, отраженный луч смещается в положение, обозначенное пунктирной линией. Глядя в окуляр, наблюдатель может измерить смещение луча. Это измерение давало ему удвоенную величину угла а, то есть угла поворота зеркала за то время, пока луч света шел от С к вогнутому зеркалу А и обратно к С. Зная скорость вращения зеркала С, расстояние от А до С и угол поворота зеркала С за это время, можно вычислить скорость света».

Результат, полученный Фуко, был равен 298 000 км/с. Через 10 лет Мари Альфред Корню, профессор экспериментальной физики в Парижской Высшей политехнической школе, снова вернулся к зубчатому колесу, но оно имело уже 200 зубцов. Результат Корню — 300 000 км/с.

Ну, а в наши дни аналогичный эксперимент, придуманный Видом Шохи (Bldd Hsohi), вы при желании можете проделать и у себя дома. Для этого, как сказано, нужна лишь микроволновка и плитка шоколада.

Как известно, в каждой микроволновой печи есть магнетрон — устройство, которое производит электромагнитные волны той же природы, что и волны видимого света, но меньшей частоты. Они-то и разогревают продукты в считаные минуты, образуя стоячие волны, поскольку стенки печи отражают их, словно зеркало. А размеры печи рассчитываются таким образом, чтобы стоячие СВЧ-волны образовывались как раз в той зоне, куда помещают тот или иной продукт.

Далее все просто. Распаковываете плитку шоколада, вынимаете из печки вращающийся поддон и кладете шоколад в печь. Включаете микроволновку на 20–30 с. После окончания работы печи вынимаете плитку и внимательно рассматриваете ее. Вы увидите, что на поверхности ее появились 2 оплавленные точки. Они обозначают расстояние между 2 гребнями, то есть половину длины полной волны.

Расстояние между 2 точками расплавленных пятен на шоколадке равно половине длины стоячей волны электромагнитного излучения магнетрона микроволновки.

Большинство микроволновых печей производят волны частотой около 2 450 МГц (или 2,45 ГГц). Это означает, что каждую секунду в печи возникает 2 450 млн. (или 2,45 млрд.) пиков стоячей волны или полных колебаний. Остается замерить линейкой расстояние между точками на плитке и умножить эту величину сначала на 2, а затем на 2 450 млн. В итоге мы получим расстояние, которое волна проходит за 1 с, то есть ее скорость.

В нашем опыте расстояние между центрами плавления составило 61 мм, поэтому длина волны, излучаемой этой установкой, 122 мм. Частота установки печи 2 450 МГц. Умножим 122 на 2 450 млн. и получим 298 900 000 000 мм/с, или 298 900 км/с!

Что, как говорится, и требовалось доказать… Вот только, если уж быть дотошно точным, таким образом измеряется не скорость света, а скорость распространения электромагнитной волны в магнетроне микроволновки. При этом молчаливо предполагается, что, поскольку видимый свет — часть спектра электромагнитного излучения, разница между величинами будет невелика.

P.S. Предупреждаем, что микроволновая печь требует осторожного обращения. Все эксперименты с ее участием проводите только в присутствии взрослых!