Скорость света и релятивистская оптика
Исторический обзор
В 1676 г. астроном Рёмер измерил скорость распространения света, хотя она очень велика по сравнению с теми скоростями, с которыми приходится иметь дело в лабораторной практике. Спустя значительный промежуток времени, в первой половине XIX века, опыты по измерению скорости света были выполнены также Физо, Фуко и другими физиками. В этот период времени было признано, что скорость света является интересной и важной физической величиной, но оставалось неясным, как можно связать экспериментальные данные о ней с какой-либо теорией света. Электромагнитная теория Максвелла, которая требует, чтобы скорость света в вакууме была в точности равна отношению определенных электрических единиц, послужила важным стимулом к проведению экспериментов по определению обеих этих величин. Очевидно, что стало необходимым убедиться, насколько удовлетворительно согласуются результаты измерения этих величин и их отношение со значением скорости света. Теория Максвелла была опубликована в 1873 г., а в 1879 г. Майкельсон выполнил свое первое измерение скорости света. Измерения скорости света естественно сопровождались попытками найти зависимость ее величины от различных физических условий. Результаты этих опытов послужили одной из причин создания теории относительности (1905). Мы увидим, что в теории относительности скорость света в вакууме считается одной из наиболее важных физических величин. Она входит в формулу, выражающую связь между массой и энергией.
Общий обзор методов измерения скорости света
Непосредственное определение скорости света включает в себя измерения расстояний и времени распространения света. Так как скорость света очень велика, необходимо иметь большие расстояния и (в большинстве методов) измерять очень короткие промежутки времени. Невозможно наблюдать распространение пучка света, не маркируя или не «модулируя» его каким-либо способом. Применяют три основных метода модуляции: а) метод зубчатого колеса, б) метод вращающегося зеркала и в) метод электрического «затвора». Во всех этих методах время распространения определяют из измерений частоты модуляции. Измерение расстояний производят при помощи обычных метрологических приемов. Первые измерения не обладали достаточной точностью для того, чтобы уловить различие в скорости распространения света в воздухе и в вакууме, но с повышением точности измерений стало необходимым знать даже температуру и давление воздуха на пути светового пучка. По этой причине современные эксперименты проводят или в вакууме, или в таких условиях, когда можно точно определить показатель преломления воздуха.
Косвенные методы
Если принять во внимание некоторые теоретические соображения, то опыты над источниками света, движущимися относительно наблюдатетя, дают возможность определить скорость света Так, опыты, связанные с астрономическим явлением аберрации света, дают возможность косвенного определения скорости света Аналогично эксперименты по исследованию распространения света в среде, движущейся относительно источника и наблюдатечя, позволяют сравнивать скорость света со скоростью среды Такого рода опыты интересны, в основном, с теоретической точки зрения, а не с точки зрения определения скорости света Что же касается определения скорости света, то результаты этих опытов менее точны, чем данные, полученные прямым методом .
После того, как было установлено, что скорость света, скорость электромагнитных волн и отношение определенных электрических единиц равны между собой, стало естественным собрать воедино весь экспериментальный материал, связанный с этими измерениями, для того, чтобы получить наиболее точное значение для данной величины. В дальнейшем будет показано, что точность определения скорости распространения электромагнитных волн по проводам и точность измерения отношения электрических единиц примерно равны точности прямого определения скорости света, и полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются друг с другом. В дальнейшем, при описании прямых методов, мы кратко рассмотрим четыре наиболее интересных. Детали этих методов читатель может найти в оригинальной литературе, приведенной в конце настоящей главы.