Как измеряют скорость света?

Перевод на русский: Д. С. Кравченко, 2003 г.
Оригинал: Philip Gibbs, 23.12.1997

Сейчас скорость света в вакууме c не измеряют. В стандартных единицах она представлена точным неизменным числом. С 1983 г. по международному соглашению метр был определен как длина пути, которую свет проходит в вакууме за время в 1/299 792 458 секунды. Из-за этого скорость света получается равной в точности 299 792,458 км/сек. Поскольку дюйм определен как 2,54 сантиметра, то и в неметрических единицах у нее тоже точное значение. Определить единицы длины таким образом имело смысл только потому, что скорость света в вакууме постоянна; а вот для подтверждения этого факта опыты все еще нужны (см. вопрос "Постоянна ли скорость света?"). Кроме того, опыты все еще нужны для измерения скорости света в средах, вроде воздуха и воды.

До семнадцатого века думали, что свет распространяется мгновенно. Это подтверждалось тем, что когда земная тень двигалась по луне во время лунного затмения, не наблюдалось никакой задержки в ее положении, как должно было быть, если бы c была конечной. Сейчас мы знаем, что свет просто движется слишком быстро, чтобы эту задержку заметить. В том, что скорость света бесконечна, сомневался еще Галилео Галилей. Он описал опыт по измерению скорости, в котором надо было открывать и закрывать свет маяка и наблюдать за этим с расстояния в несколько миль. Мы не знаем, попробовал ли Галилей осуществить свой опыт, но опять-таки, c слишком велика чтобы сработал и его способ.

Первое удачное измерение c провел в 1676 г. Оле Кристенсен Рёмер. Он заметил, что время между затмениями спутников Юпитера меньше когда Земля движется к Юпитеру, чем когда она движется от него. Он правильно подумал, что это происходит от того, что при изменении расстояния от Юпитера до Земли, меняется и время, которое нужно свету, чтобы его пройти. У него получилось значение в 214 000 км/сек что оказалось неточным из-за того, что в то время не были точно известны расстояния между планетами.

В 1728 г. Джеймс Бредли провел еще один опыт, наблюдая за аберрацией звезд: кажущимся смещением звезд, происходящим из-за вращения Земли вокруг Солнца. Он наблюдал звезду в Драконе и увидел, что ее положение меняется в течение года. Таким образом меняются положения всех звезд, что отличает это явление от другого — звездного параллакса, которое сказывается на близких зведах в большей степени. Чтобы представить себе, что такое звездная аберрация, можно представить себе как движение влияет на угол падения дождя. Если встать неподвижно под дождь, и если не будет ветра, то капли будут падать вертикально прямо на голову. Если же побежать, то окажется, что теперь капли летят в лицо. Бредли измерил этот угол для звездного света. Зная скорость движения Земли вокруг Солнца, он получил скорость света в 301 000 км/с.

Впервые измерение c на Земле провел в 1849 г. Арман Ипполит Луи Физо. Он брал световой луч, отраженный от зеркала, расположенного на расстоянии 8 км. Луч проходил в просвет между зубьями быстро вращающегося колеса. Скорость вращения колеса постепенно увеличивалась, пока свет не начинал на обратном пути проходить в промежуток, следующий за тем, через который он прошел туда. Тогда луч становилось видно. Было рассчитано, что с равно 315 000 км/с. В том же году Жан Бернар Леон Фуко усовершенствовал этот опыт применив вращающиеся зеркала и получил гораздо более точный ответ в 298 000 км/с. Его способ оказался достаточным для того, чтобы обнаружить, что свет в воде движется медленнее, чем в воздухе.

После того, как Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою теорию электромагнетизма, стало возможно измерять скорость света косвенными методами, через измерение магнитной восприимчивости и электрической проницаемости пустоты. Впервые это сделали Вильгельм Эдуард Вебер и Фридрих Вильгельм Георг Кольрауш в 1857 г. В 1907 г. Роза и Дорси получили таким способом 299 788 км/с. Тогда это было самое точное значение.

Разрабатывали много способов, чтобы еще повысить точность измерений. Вскоре даже стало нужно учитывать показатель преломления в воздухе. В 1958 г. Фрум получил значение 299 792,5 км/с применяя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор (ячейку Керра). После 1970 г. с разработкой лазеров с высокой спектральной стабильностью, а также точных цезиевых часов, стало возможно мерять еще точнее. Вплоть до введения нового определения метра, точность измерений скорости света постоянно повышалась. Наконец был достигнут уровень точности плюс минус 1 м/с. После этого стало разумнее зафиксировать значение c в определении метра, а вместо этого с применением лазеров и цезиевых часов повышать точность измерения расстояний.

В этой таблице приведены некоторые наилучшие измерения (по Фруму и Эссену).

Год
Автор
Способ
Результат (км/с)
Погрешность
1676 Рёмер Спутники Юпитера 214 000
1726 Бредли Звездная аберрация 301 000
1849 Физо Шестерня 315 000
1862 Фуко Вращающееся зеркало 298 000 500
1879 Михельсон Вращающееся зеркало 299 910 50
1907 Роза, Дорси Электромагнитные постоянные 299 788 30
1926 Михельсон Вращающееся зеркало 299 796 4
1947 Эссен, Горден-Смит Кавитационный резонатор 299 792 3
1958 Фрум Радио-интерферометр 299 792,5 0,1
1983 Принятое значение 299 792,458 0