Измерения Фуко скорости света
![]() | статьи первый раздел Возможно, придется переписать . ( Март 2023 г. ) |
В 1850 году Леон Фуко использовал вращающееся зеркало для дифференциального измерения скорости света в воде по сравнению с его скоростью в воздухе. В 1862 году он использовал аналогичный прибор для измерения скорости света в воздухе.
Фон
[ редактировать ]В 1834 году Чарльз Уитстон разработал метод использования быстро вращающегося зеркала для изучения переходных явлений и применил этот метод для измерения скорости электричества в проводе и продолжительности электрической искры. [ 1 ] Он сообщил Франсуа Араго идею о том, что его метод можно адаптировать для изучения скорости света.
Начало-середина 1800-х годов были периодом интенсивных споров о природе света, состоящей из частиц и волн. Хотя наблюдение пятна Араго в 1819 году, казалось, окончательно решило вопрос в пользу волновой теории света Френеля , различные проблемы, по-видимому, продолжали более удовлетворительно решаться корпускулярной теорией Ньютона. [ 2 ] Араго расширил концепцию Уитстона в публикации 1838 года, предположив, что дифференциальное сравнение скорости света в воздухе и воде поможет различить корпускулярную и волновую теории света.
Фуко работал с Ипполитом Физо над такими проектами, как использование процесса дагерротипирования для получения изображений Солнца между 1843 и 1845 годами. [ 3 ] и характеристика полос поглощения в инфракрасном спектре солнечного света в 1847 году. [ 4 ] В 1845 году Араго предложил Физо и Фуко попытаться измерить скорость света. Однако где-то в 1849 году выяснилось, что они поссорились, и их пути разошлись. [ 5 ] : 124 [ 3 ] В 1848–1849 годах Физо использовал не вращающееся зеркало, а аппарат с зубчатым колесом для абсолютного измерения скорости света в воздухе.
В 1850 году Физо и Фуко использовали вращающиеся зеркальные устройства для относительных измерений скорости света в воздухе по сравнению с водой.
Фуко нанял Поля-Гюстава Фромана для создания аппарата с вращающимся зеркалом. [ 6 ] в котором он разделил луч света на два луча: один прошел через воду, а другой — через воздух. 27 апреля 1850 г. [ 5 ] : 127 он подтвердил, что скорость света была больше, когда он путешествовал по воздуху, что, по-видимому, подтверждало волновую теорию света. [ 3 ] [ Примечание 1 ]
С благословения Араго Физо нанял LFC Breguet для создания своего аппарата. Они достигли своего результата 17 июня 1850 года, через семь недель после Фуко. [ 5 ] : 129
Чтобы достичь необходимых высоких скоростей вращения, Фуко отказался от часового механизма и использовал тщательно сбалансированный паровой аппарат, разработанный Шарлем Каньяром де ла Туром . Первоначально Фуко использовал зеркала из олова и ртути, однако при скоростях, превышающих 200 об/мин, отражающий слой отрывался, поэтому он перешел на использование новых серебряных зеркал. [ 5 ] : 126–127
Определение Фуко скорости света
[ редактировать ]
эксперимент 1850 года
[ редактировать ]
В 1850 году Леон Фуко измерил относительную скорость света в воздухе и воде. Эксперимент был предложен Араго, который писал:
Две излучающие точки, расположенные одна рядом с другой и на одной вертикали, мгновенно сияют перед вращающимся зеркалом. Лучи из верхней точки достигают этого зеркала, только проходя через трубку, наполненную водой; лучи второй точки достигают отражающей поверхности, не встретив на своем пути никакой другой среды, кроме воздуха... [S]предположим, что зеркало, видимое с места, занимаемого наблюдателем, поворачивается справа налево. Хорошо! если теория излучения верна, если свет — это материя, высшая точка будет казаться левее нижней точки; он появится справа от него, наоборот, если свет является результатом вибраций эфирной среды.
В устройстве (рис. 1) свет проходит через щель S зеркала R и формирует изображение щели на удаленном неподвижном зеркале M. , отражается от Затем свет возвращается к зеркалу R и отражается обратно в исходную щель. Если зеркало R неподвижно, то изображение щели изменится в S. точке
Однако, если зеркало R вращается, оно слегка переместится за время, необходимое свету для отражения от R до M и обратно, и свет будет отклоняться от исходного источника на небольшой угол, образуя изображение. в сторону щели. [ 8 ]
Фуко измерил разницу скорости света в воздухе и в воде, используя два удаленных зеркала (рис. 2). Перед одним из них он поставил трехметровую трубку с водой. [ 5 ] : 127 Свет, проходящий через более медленную среду, имеет более смещенное изображение. Частично замаскировав зеркало воздушного пути, Фуко смог различить два изображения, наложенные друг на друга. [ 5 ] : 127 Он обнаружил, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе.
Этот эксперимент не определил абсолютные скорости света в воде или воздухе, а только их относительные скорости. Скорость вращения зеркала не могла быть достаточно точно измерена, чтобы определить абсолютную скорость света в воде или воздухе. При скорости вращения 600-800 оборотов в секунду смещение составляло 0,2-0,3 мм. [ 5 ] : 128–129
Руководствуясь теми же мотивами, что и его бывший партнер, Фуко в 1850 году был больше заинтересован в разрешении спора о соотношении частиц и волн, чем в определении точного абсолютного значения скорости света. [ 2 ] [ Примечание 2 ] Его экспериментальные результаты, объявленные незадолго до того, как Физо объявил о своих результатах по той же теме, были расценены как «забивание последнего гвоздя в гроб» Ньютона корпускулярной теории света , когда она показала, что свет распространяется медленнее через воду, чем через воздух. [ 9 ] Ньютон объяснил преломление как притяжение среды к свету, подразумевая увеличение скорости света в среде. [ 10 ] Корпускулярная теория света отошла на второй план, полностью затменная волновой теорией. [ Примечание 3 ] Такое положение дел продолжалось до 1905 года, когда Эйнштейн представил эвристические аргументы в пользу того, что при различных обстоятельствах, например, при рассмотрении фотоэлектрического эффекта , свет демонстрирует поведение, указывающее на природу частицы. [ 12 ]
За свои усилия Фуко был удостоен звания кавалера Почетного легиона, а в 1853 году получил степень доктора Сорбонны. [ 5 ] : 130
эксперимент 1862 года
[ редактировать ]
В эксперименте Фуко 1862 года он хотел получить точное абсолютное значение скорости света, поскольку его заботой было вывести улучшенное значение астрономической единицы . [ 2 ] [ Примечание 4 ] В то время Фуко работал в Парижской обсерватории под руководством Урбена ле Верье . Леверье полагал, основанное на обширных расчетах небесной механики, что общепринятое значение скорости света было, возможно, на 4% выше. Технические ограничения не позволили Фуко разделить зеркала R и M более чем на 20 метров. Несмотря на ограниченную длину пути, Фуко смог измерить смещение изображения щели (менее 1 мм). [ 13 ] ) с достаточной точностью. Кроме того, в отличие от эксперимента Физо (который требовал измерения скорости вращения зубчатого колеса с регулируемой скоростью), он мог вращать зеркало с постоянной, хронометрически определяемой скоростью. Измерения Фуко подтвердили оценку Леверье. [ 5 ] : 227–234 Его показатель скорости света 1862 года (298 000 км/с) находился в пределах 0,6% от современного значения. [ 14 ]
Как видно на рисунке 3, смещенное изображение источника (щели) находится под углом 2 θ от направления источника. [ 8 ]
Если расстояние между зеркалами равно h , время между первым и вторым отражениями от вращающегося зеркала равно 2 h / c ( c = скорость света). Если зеркало вращается с известной постоянной угловой скоростью ω , оно меняет угол во время прохождения света туда и обратно на величину θ, определяемую формулой:
Скорость света рассчитывается на основе наблюдаемого угла θ , известной угловой скорости ω и измеренного расстояния h как |
Уточнение Майкельсоном эксперимента Фуко
[ редактировать ]
На рисунке 1 видно, что Фуко поместил вращающееся зеркало R как можно ближе к линзе L, чтобы максимально увеличить расстояние между R и щелью S. При вращении R увеличенное изображение щели S проходит по поверхности удаленной линзы. зеркало М. Чем больше расстояние RM, тем быстрее изображение проходит по зеркалу М и тем меньше света отражается обратно. Фуко не мог увеличить расстояние RM в своей сложенной оптической схеме более чем на 20 метров без того, чтобы изображение щели не становилось слишком тусклым для точного измерения. [ 7 ]
Между 1877 и 1931 годами Альберт А. Майкельсон провел несколько измерений скорости света. Его измерения 1877–79 годов проводились под эгидой Саймона Ньюкомба , который также работал над измерением скорости света. Установка Майкельсона включала в себя несколько усовершенствований оригинальной аранжировки Фуко. Как видно на рисунке 4, Майкельсон поместил вращающееся зеркало R рядом с главным фокусом линзы L ( т. е. фокальной точкой, на которую падают параллельные лучи света). Если бы вращающееся зеркало R находилось точно в главном фокусе, движущееся изображение щели оставалось бы на дальнем плоском зеркале М (диаметр которого равен линзе L), пока ось светового пучка оставалась на линзе. верно независимо от расстояния RM. Таким образом, Майкельсон смог увеличить расстояние RM почти до 2000 футов. Чтобы добиться разумного значения расстояния RS, Майкельсон использовал объектив с чрезвычайно длиннофокусным расстоянием (150 футов) и пошел на компромисс в конструкции, разместив R примерно на 15 футов ближе к L, чем главный фокус. Это позволило обеспечить расстояние RS от 28,5 до 33,3 футов. Он использовал тщательно откалиброванные камертоны для контроля скорости вращения зеркала R с приводом от воздушной турбины и обычно измерял смещения щелевого изображения порядка 115 мм. [ 7 ] Его значение скорости света 1879 года, 299944±51 км/с, было в пределах примерно 0,05% от современного значения. Его повтор эксперимента в 1926 году включал в себя еще больше усовершенствований, таких как использование вращающихся зеркал в форме многоугольной призмы (обеспечивающих более яркое изображение), имеющих от восьми до шестнадцати граней и базовую линию на 22 мили, измеренную с точностью до дробных частей на миллион. Его цифра 299 796±4 км/с. [ 15 ] было всего лишь примерно на 4 км/с выше принятого в настоящее время значения. [ 14 ] Последняя попытка Майкельсона в 1931 году измерить скорость света в вакууме была прервана его смертью. Хотя его эксперимент был посмертно завершен Ф. Г. Пизом и Ф. Пирсоном, различные факторы препятствовали измерению высочайшей точности, включая землетрясение, которое нарушило базовые измерения. [ 16 ]
См. также
[ редактировать ]- Скорость света § Измерение
- Измерение Физо скорости света в воде.
- Измерение Физо скорости света в воздухе.
Примечания
[ редактировать ]- ↑ Учитывая наше современное понимание света, может быть довольно сложно понять, почему можно было ожидать, что модель частиц света предсказывает более высокую скорость света в воде, чем в воздухе. (1) Вслед за Декартом считалось (ошибочно), что когда луч света пересекает границу раздела воздух/вода, тангенциальная составляющая его скорости ( т.е. его скорость, параллельная поверхности) должна сохраняться. Если бы это было так, то наблюдаемый факт, что угол преломления меньше угла падения, когда луч света попадает в воду, обязательно подразумевает более высокую скорость в воде. (2) Известно, что звук в твердых телах и жидкостях распространяется быстрее, чем в воздухе. (3) Ньютон предположил своего рода гравитационное притяжение легких частиц водой в направлении, нормальном к поверхности воздуха/воды. Это объяснило бы закон Снелла и, в соответствии с Декартом, не означало бы никаких изменений в компоненте скорости, параллельной поверхности. [ 2 ]
- ^ Современные отчеты об экспериментах Физо и Фуко 1850 года называют их определение относительной скорости решающим экспериментом в теории излучения, не упоминая никаких измерений абсолютной скорости. Например, «Литературная газета» от 29 июня 1850 г. (стр. 441) сообщила: «Результаты экспериментов Физо и Бреке [ sic ] по сравнительной скорости света в воздухе и в воде убедительно подтверждают волновую теорию Если длины, пройденные двумя светящимися лучами, одним через воздух, а другим через столб воды, были одинаковыми для двух сред, то время прохождения. было бы в соотношении четыре к трем, согласно той или иной теории, и отклонения лучей, вызванные вращением зеркала, были бы в том же отношении». См. также «Литературную газету» от 5 сентября 1857 г. (с. 855).
- ^ Казалось бы, полный триумф волновой теории над корпускулярной теорией потребовал постулирования существования всепроникающего светоносного эфира , поскольку иначе было невозможно представить себе свет, пересекающий пустое пространство. Однако гипотетический эфир должен был обладать большим количеством неправдоподобных характеристик. Например, в своем одноименном эксперименте Физо 1851 года Физо продемонстрировал, что скорость света в движущемся столбе воды не равна простой аддитивной сумме скорости света в воде плюс скорости самой воды. Другие трудности замалчивались до тех пор, пока эксперимент Майкельсона-Морли 1887 года не обнаружил никаких следов воздействия эфира. В 1892 году Хендрик Лоренц постулировал специальный набор поведений эфира, который мог бы объяснить нулевой результат Майкельсона и Морли, но истинное объяснение должно было дождаться Специальной теории относительности Эйнштейна . [ 11 ]
- ^ Астрономическая единица обеспечивает базовую шкалу расстояний для всех измерений Вселенной. Установление его точного значения было главной целью астрономов XIX века: фактически эта задача была определена королевским астрономом Джорджем Эйри в 1857 году как «самая достойная проблема астрономии». До 1850-х годов его значение определялось относительно неточными методами параллакса, такими как измерение положения Марса относительно неподвижных звезд из далеко удаленных точек Земли или мониторинг редких прохождений Венеры . Точная скорость света позволила бы проводить независимые оценки астрономической единицы, например, рассуждая в обратном направлении, исходя из формулы Брэдли для звездной аберрации , или рассуждая в обратном направлении, исходя из измерений скорости света, основанных на наблюдениях спутников Юпитера, то есть метода Рёмера . [ 2 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уитстон, Чарльз (1834). «Отчет о некоторых экспериментах по измерению скорости электричества и продолжительности электрического света» . Философские труды Лондонского королевского общества . 124 : 583–591. Бибкод : 1834RSPT..124..583W . дои : 10.1098/rstl.1834.0031 . JSTOR 108080 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Логини, П. (2004). «Измерение скорости света: зачем? Скорость чего?» (PDF) . Материалы Пятой Международной конференции по истории науки в естественнонаучном образовании . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июля 2015 года . Проверено 3 июля 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Хьюз, Стефан (2012). Ловцы света: забытые жизни мужчин и женщин, которые первыми сфотографировали небеса . Издательство АртДеСиэль. стр. 202–223. ISBN 978-1-62050-961-6 .
- ^ Хирншоу, Дж. Б. (1987). Анализ звездного света: сто пятьдесят лет астрономической спектроскопии (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 34–35. ISBN 978-0-521-25548-6 . Архивировано из оригинала 15 сентября 2015 года . Проверено 28 июля 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Тобин, Уильям Джон (2003). Жизнь и наука Леона Фуко: человек, доказавший, что Земля вращается . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521808552 . Проверено 10 марта 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Фуко, Леон (1853). «Об относительных скоростях света в воздухе и воде» (на французском языке). Холостяк . Проверено 10 марта 2023 г.
Две излучающие точки, расположенные рядом друг с другом и на одной вертикали, мгновенно сияют перед вращающимся зеркалом. Лучи из верхней точки могут достичь этого зеркала, только пройдя через трубку, наполненную водой; лучи из второй точки достигают отражающей поверхности, не встретив на своем пути никакой среды, кроме воздуха. Для закрепления представлений предположим, что зеркало, если смотреть с того места, где находится наблюдатель, поворачивается справа налево. Хорошо! если теория излучения верна, если свет является материей, самая высокая точка окажется слева от нижней точки; напротив, он окажется справа от него, если свет является результатом вибраций эфирной среды.
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Перейти обратно: а б с д Майкельсон, Альберт А. (1880). Экспериментальное определение скорости света . Морской альманах Бюро навигации Военно-морского ведомства. Архивировано из оригинала 1 ноября 2013 года . Проверено 2 июля 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Ральф Байерляйн (2001). Ньютон Эйнштейну: след света: экскурс в корпускулярно-волновой дуализм и специальную теорию относительности . Издательство Кембриджского университета. п. 44; Рисунок 2.6 и обсуждение. ISBN 0-521-42323-6 .
- ^ Дэвид Кэссиди; Джеральд Холтон; Джеймс Резерфорд (2002). Понимание физики . Биркхойзер. ISBN 0-387-98756-8 .
- ^ Брюс Х. Уокер (1998). Основы оптической инженерии . СПАЙ Пресс. п. 13. ISBN 0-8194-2764-0 .
- ^ Янссен, Мишель; Стэйчел, Джон (2010), «Оптика и электродинамика движущихся тел» (PDF) , в книге Джона Стэчела (редактор), Going Critical , Springer, ISBN 978-1-4020-1308-9 , заархивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2015 г.
- ^ Нияз, Мансур; Классен, Стивен; Макмиллан, Барбара; Мец, Дон (2010). «Реконструкция истории фотоэффекта и его значения для учебников общей физики» (PDF) . Научное образование . 94 (5): 903–931. Бибкод : 2010SciEd..94..903N . дои : 10.1002/sce.20389 . Архивировано из оригинала 1 июля 2015 года . Проверено 1 июля 2015 г.
- ^ Майкельсон, Альберт А. (1879). «Экспериментальное определение скорости света» . Труды Американской ассоциации содействия развитию науки : 71–77.
- ^ Перейти обратно: а б Гиббс, Филип. «Как измеряется скорость света?» . Оригинальный FAQ по физике Usenet . Архивировано из оригинала 21 августа 2015 года . Проверено 1 июля 2015 г.
- ^ Майкельсон, А.А. (1927). «Измерение скорости света между горой Вильсон и горой Сан-Антонио». Астрофизический журнал . 65 : 1–13. Бибкод : 1927ApJ....65....1M . дои : 10.1086/143021 .
- ^ Майкельсон, А.А.; Пиз, ФГ; Пирсон, Ф. (1935). «Измерение скорости света в частичном вакууме». Материалы Обсерватории Маунт-Вилсон/Института Карнеги в Вашингтоне . 522 : 1–36. Бибкод : 1935CMWCI.522....1M .
Внешние ссылки
[ редактировать ]Измерения относительной скорости света
[ редактировать ]- «О системе экспериментов, посредством которых теория излучения и теория волн будут подвергнуты решающим испытаниям». Ф. Араго (1838)
- Об относительных скоростях света в воздухе и воде / Леон Фуко (1853 г.)
- «Об эксперименте по сравнительной скорости света в воздухе и в воде». О. Физо и Л. Бреге (1850 г.)