Измерение скорости света

Первая оценка скорости света была сделана датским астрономом  Рёмером (O.Rømer, 1675) после анализа результатов многомесячных наблюдений спутников Юпитера (рис.29.1). Период обращения крупнейшего спутника Ио был измерен с погрешностью несколько секунд и составлял ~ 42 часа. Измерив время захода спутника в момент максимального сближения планет, можно было рассчитать время захода спутника в будущем через несколько месяцев. Наблюдаемое время захода спустя ~ полгода после первого наблюдения оказалось больше расчетного на Вt~20 минут. Рёмер объяснил полученное расхождение конечностью скорости света, для которой он получил величину

км/с.

Большое отклонение от известного нам сейчас значения скорости обусловлено неточным измерением диаметра орбиты Земли в то время.

Это измерение было проделано примерно в то же время под руководством Кассини (D.Cassini) косвенным образом. Измерялась разность угловых координат Марса при одновременных наблюдениях в Париже и Кайене (50 северной широты на северном побережье Южной Америки) в то время, когда Марс, Земля и Солнце были на одной прямой. Зная расстояние между двумя точками наблюдения на Земле, можно определить расстояние между Землей и Марсом. Далее, основываясь на этом расстоянии и законах Кеплера, можно определить радиус орбиты Земли.

Рис.29.1

В эксперименте на Земле первому удалось измерить скорость света Физо (A.Fizeau, 1849). Эксперимент иллюстрирует рис.29.2.

Свет от источника И направлялся на полупрозрачное зеркало М1, проходил через модулятор (зубчатое колесо), отражался от зеркала М2 и через полупрозрачное зеркало М1 попадал в глаз наблюдателя. При вращении модулятора максимальная интенсивность света наблюдалась при такой угловой скорости, когда за время, требуемое свету на прохождение расстояния 2L, модулятор поворачивался на угол . Для доступных угловых скоростей вращения модулятора (определяются пределом прочности материала, из которого он сделан), расстояние L должно составлять несколько километров. В эксперименте Физо оно равнялось ~ 8 километрам.

Рис.29.2

Измерив угловую скорость и зная остальные параметры установки, найдем скорость света:

.

В настоящее время скорость света в вакууме имеет точное значение, равное: . К такой договоренности физики пришли, экспериментально убедившись в независимости скорости света в вакууме от относительного движения источника и приемника света.

Еще на один важный вопрос о том, зависит ли скорость фотона в вакууме от его энергии (наблюдается ли дисперсия скорости света в вакууме), мы можем получить ответ, анализируя, например, экспериментальные результаты по измерению временной зависимости интенсивности рентгеновского излучения в различных участках спектра. Один из наиболее мощных источников рентгеновского излучения с широким спектром (рис.29.3а) – пульсар (PSR 0531+21) в центре Крабовидной туманности. Его излучение модулировано по амплитуде (интегральная кривая  на рис.29.3б).  Период колебаний интенсивности излучения T  составляет 0.033 c. Этот пульсар представляет собой нейтронную звезду диаметром около 25 километров, которая находится на расстоянии 6520 световых лет от Солнца. Она образовалась в результате взрыва сверхновой звезды в 1054 году. Во время взрыва источник излучения был настолько мощным, что звезду можно было несколько дней наблюдать даже днем. Большое значение угловой скорости вращения нейтронной звезды получилось после сжатия из обычной звезды, которая, конечно, вращалась до взрыва с существенно меньшей угловой скоростью. Например, период обращения нашей звезды – Солнца в экваториальной плоскости равен примерно 28 суткам. При  взрыве сверхновой масса, несомненно уменьшается, но не на порядки величины, радиус же уменьшается на много порядков, так что в силу закона сохранения момента импульса  , при уменьшении момента инерции (в первом приближении – момент инерции шара ) угловая скорость нейтронной звезды при ее сжатии существенно возрастает.

Если бы скорость фотона зависела от его энергии, то для зависимостей интенсивности излучения пульсара PSR 0531+21  от времени, которые измерены в различных частотных диапазонах DV1 и DV2, наблюдался бы фазовый сдвиг. Этого фазового сдвига не обнаружено (временные зависимости для двух частотных диапазонов приведены на рис.29.3б пунктирными линиями) и в настоящее время независимость скорости фотона от его энергии установлена с относительной погрешностью не превышающей 10-20.

Рис.29.3

а)                                                           б)

Можно отметить, что само наблюдение в широкой полосе частот источников, интенсивность излучения которых модулирована во времени, говорит об отсутствии дисперсии света в вакууме.