1.1. Измерение скорости оптического излучения
Свет представляет собой электромагнитное явление, доступное для непосредственного восприятия человеческим зрением. Объекты окружающего мира либо генерируют свет самостоятельно, либо отражают его. Данное явление способно распространяться в различных средах, таких как воздух, вода, оптоволокно, а также в условиях полного отсутствия вещества — вакууме. В материальных средах свет подвергается процессам поглощения и рассеяния.
Распространение света характеризуется конечной скоростью, при этом в любых прозрачных средах она ниже, чем в вакууме.
Длительное время в античности преобладало мнение о бесконечности скорости света, хотя высказывались и альтернативные гипотезы о том, что для преодоления расстояния свету необходимо время. Однако эмпирическое подтверждение конечности этой величины было получено значительно позже.
В XVII веке датский астроном Олаф Рёмер, изучая затмения спутника Юпитера — Ио, обратил внимание на их нерегулярность. Он установил, что задержка наступления затмений коррелирует с увеличением дистанции между Землей и Юпитером. Максимальное расхождение во времени составило 22 минуты. Опираясь на известные характеристики земной орбиты, Рёмер вычислил скорость света, получив значение 220 000 км/с.
В 1809 году французский ученый Жан-Батист Жозеф Деламбр, проведя ретроспективный анализ данных наблюдений за тем же спутником за 150 лет, определил, что свету требуется 8 минут 13 секунд для преодоления среднего радиуса земной орбиты (астрономической единицы). С учетом уточненных на тот момент масштабов Солнечной системы, его расчеты дали показатель около 300 300 км/с.
Впоследствии научное сообщество перешло к лабораторным методам измерения. Ключевой прорыв произошел в середине XIX века во Франции, благодаря разработкам двух ученых-соперников.
В 1849 году Арман Физо первым реализовал измерение скорости света без привлечения астрономических данных. Он направлял световой луч сквозь зубья быстро вращающегося колеса к удаленному на 8 км зеркалу. Отраженный луч возвращался обратно. При малой скорости вращения колеса свет беспрепятственно проходил через тот же зазор. Однако при достижении критической скорости вращения, когда за время движения луча туда и обратно на месте зазора оказывался зубец колеса, свет перекрывался. Расчеты Физо показали скорость 315 300 км/с.
В 1862 году Леон Фуко усовершенствовал методику Физо, заменив колесо вращающимся зеркалом. Свет падал на подвижное зеркало, отражался от него к неподвижному, а затем возвращался обратно. Пока свет находился в пути, первое зеркало успевало незначительно повернуться. Этот метод позволил проводить высокоточные измерения в лабораторных условиях. Полученное Фуко значение 298 000 км/с стало наиболее точным для своего времени. Кроме того, именно Фуко экспериментально подтвердил замедление света в воде по сравнению с воздухом.
Альберт Майкельсон довел этот метод до совершенства, используя многогранные вращающиеся призмы и увеличив плечо измерения до 35 км (между вершинами гор в Калифорнии). В 1926 году им было получено значение 299 796 км/с, что всего на 4 км/с отклоняется от современных данных.
Майкельсон стал одним из последних физиков, чьи исследования были сфокусированы непосредственно на скорости видимого света.
1.2. Измерение скорости в электромагнитном спектре
Параллельно с работами Леона Фуко, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл последовательно формулировал свою теорию электромагнетизма. В опубликованной в 1864 году «Динамической теории электромагнитного поля» он обосновал, что свет является формой электромагнитного излучения волновой природы. Вычисленная Максвеллом теоретическая скорость распространения электромагнитных волн составила 310 740 000 м/с, что весьма близко к результатам Армана Физо. Максвелл отмечал: «Скорость электромагнитных возмущений настолько близка к скорости света, что у нас есть веские основания полагать, что свет сам является электромагнитным явлением».
1.2.1. Опыты Герца (FM-диапазон)
Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было получено Генрихом Герцем в 1888 году при исследовании свойств электромагнитных волн с помощью «вибратора Герца». В помещении размером 15 на 8,5 метров он сумел создать стоячие электромагнитные волны, используя излучатель и цинковый отражатель (4х2 м) на стене. На основании многочисленных замеров Герц определил длину электромагнитной полуволны (4,8 м), а частоту колебаний рассчитал теоретически, исходя из параметров контура. Это позволило ему вычислить скорость волны — 320 000 км/с. В последующих экспериментах с более короткими волнами Герц наглядно продемонстрировал такие волновые эффекты, как поляризация, отражение и преломление, тем самым подтвердив теорию Максвелла и доказав, что свет и невидимые радиоволны имеют общую природу и одинаковую скорость распространения.
Результат Герца превышал истинную скорость света примерно на 6,7%. В дальнейшем методика измерений была значительно оптимизирована.
1.2.2. Эксперимент Виттера и Бригера (FM-диапазон)
Работы Виттера и Бригера в 1930-х годах были направлены на уточнение фундаментальных физических констант с применением передовых на тот момент технологий УКВ-диапазона.
Для определения скорости радиоволн исследователи применили метод интерференции.
Экспериментальная установка включала передатчик с частотой 113,749 МГц, расположенный на линии между приемником и плоским металлическим отражателем, который можно было перемещать с высокой точностью. В антенну приемника попадали два луча: прямой и отраженный от подвижного экрана.
Амплитуда сигнала в приемнике зависела от фазового сдвига между лучами, что определялось положением отражателя. Фиксация смещения экрана между соседними минимумами или максимумами сигнала позволяла вычислить длину полуволны. Благодаря использованию кварцевой стабилизации частоты генератора (с точностью до 0,03%), была достигнута высокая прецизионность. Полученное значение скорости радиоволн в воздухе (299 782 ± 25 км/с) практически совпало с общепринятыми данными о скорости света.
1.2.3. Исследования Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси (LW-диапазон)
В СССР проводились масштабные исследования в этой области. В 1945 году были опубликованы результаты многолетних работ (1933–1941 гг.) по изучению распространения радиоволн.
Целью ученых было не только определение скорости сигнала, но и оценка точности метода для решения обратной задачи — геодезического определения расстояний. Авторами использовались новаторские методы и оборудование, в частности, термостаты для кварцевых генераторов (поддерживавшие температуру 15 °C) для исключения температурных погрешностей.
Измерения проводились в разнообразных условиях (над морем, озером, равнинами, горами) в различное время суток.
Применялись следующие подходы:
-
Использование когерентных пар волн (например, 230 м «туда» и 345 м «обратно» и другие комбинации).
-
Определение разности фаз с помощью фигур Лиссажу на экране катодного осциллографа.
Основные выводы исследователей:
-
Ночные измерения демонстрировали большую погрешность, что связывалось с влиянием «небесных лучей».
-
Наименьшая погрешность фиксировалась при проведении измерений над морской поверхностью, даже в ночное время.
По мере совершенствования методик точность измерений росла. Авторы оценили скорость радиоволн (диапазон 100–500 м) в 299 600 ± 100 км/с.
1.2.4. Метод полого резонатора Луи Эссена (SHF-диапазон)
Метод, предложенный Луи Эссеном в 1946–1950 годах, основывался на использовании объемного медного резонатора, внутри которого возбуждались стоячие микроволны.
В экспериментах 1950 года использовалась частота около 9,5 ГГц (длина волны ~3 см). При совпадении частоты сигнала с резонансной частотой полости возникал резонанс, параметры которого зависели от геометрии полости и скорости распространения волн.
Процесс измерений:
Прецизионное измерение резонансной частоты f.
Интерферометрическое определение внутренних размеров полости L для расчета длины волны.
Расчет: Скорость = f * λ.
Эссен достиг высокой точности: размеры цилиндра измерялись с погрешностью менее 1 микрона. Для исключения влияния среды из резонатора откачивался воздух, а также учитывался скин-эффект (проникновение радиоволн вглубь стенок металла). Полученный Эссеном результат: 299 792,5 ± 1 км/с.
1.2.5. Дальнейшие уточнения (SHF, IR)
Кейт Фрум (1958)
Британский ученый применил микроволновой интерферометр на сверхвысоких частотах (72 ГГц). Его результат составил 299 792,5 ± 0,1 км/с, что значительно уменьшило погрешность.
Группа К. Ивенсона (NBS, США, 1972)
Это исследование стало знаковым. Используя гелий-неоновый лазер, группа Кеннета Ивенсона достигла точности, на порядки превосходящей предыдущие показатели. Полученные данные: частота 88,376181627 ТГц, длина волны 3,392231376 мкм. Итоговый результат: 299 792 456,2 ± 1,1 м/с. Точность была настолько высокой, что дальнейшие уточнения упирались в несовершенство тогдашнего эталона метра.
Группа Т. Эвенсона (NPL, Великобритания, 1973)
Британские ученые провели аналогичные лазерные измерения, получив результат 299 792 459 ± 0,8 м/с (частота 32,176079 ТГц, длина волны 9,317246348 мкм).
1.3. Фиксация константы
К началу 1970-х годов погрешность измерения скорости света сократилась до 1 м/с. В 1975 году XV Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала значение 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/с. Дальнейшее повышение точности ограничивалось несовершенством определения эталона метра. В связи с этим, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра: теперь метр — это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Таким образом, скорость света стала фундаментальной константой, определенной абсолютно точно.
1.4. Резюме
Сводная таблица исследований середины XX века:
Ключевые выводы:
-
Выполненные эксперименты не подтверждают абсолютное равенство скоростей электромагнитных волн разных частот; корректные сравнительные измерения в разных частях спектра с одинаковой точностью на данный момент отсутствуют.
-
Наиболее точные результаты получены в оптическом и ближнем ИК-диапазонах, где малая длина волны позволяет точнее фиксировать фазовые характеристики, а компактность оборудования упрощает создание глубокого вакуума.
-
Измерения в AM- и FM-диапазонах имели значительные погрешности, обусловленные неоднородностью диэлектрических свойств атмосферы и сложностями в геодезическом определении расстояний.
-
Экспериментальная оценка скорости волн в сверхнизкочастотных диапазонах практически не проводилась либо отсутствует в открытых источниках.
