Измерение скорости света

В этой области формула наша неприложима. Энергия импульса распространяется со скоростью, которую можно назвать скоростью сигнала; она, как показывает специальное исследование, вне указанной области совпадает с групповой скоростью, а внутри нее остается меньше скорости света в вакууме.

Рэлей полагал, что в методе аберрации света мы измеряем непосредственно фазовую скорость, ибо там свет не прерывается искусственно. Однако Эренфест (1910 г.) показал, что наблюдение аберрации света в принципе не отличимо от метода Физо, то есть тоже дает групповую скорость. Действительно, аберрационный опыт можно свести к следующему. На общей оси жестко закреплены два диска с отверстиями. Свет посылается по линии, соединяющей эти отверстия, и достигает наблюдателя. Приведем весь аппарат в быстрое вращение. Так как скорость света конечна, то свет не будет проходить через второе отверстие.

Чтобы пропустить свет, необходимо повернуть один диск относительно другого на угол, определяемый отношением скоростей дисков и света. Это — типичный аберрационный опыт; однако он ничем не отличается от опыта Физо, в котором вместо двух вращающихся дисков с отверстиями фигурирует один диск и зеркало для поворота лучей, то есть по существу два диска: реальный и его отражение в неподвижном зеркале. Итак, метод аберрации дает то же, что и метод прерываний, т. е. групповую скорость.

Таким образом, в опытах Майкельсона и с водой, и с сероуглеродом измерялось отношение групповых, а не фазовых скоростей, но для воды dv/dλ настолько мало, что практически u=v поэтому с/ u ~c/v=n; для сероуглерода же dv/dλ значительно, так что u< c/v, это и обнаружил опыт Майкельсона (с/u = 1,76, c/v = 1,64). Тщательное измерение дисперсии сероуглерода показало, что измеренное Майкельсоном отношение действительно соответствует отношению групповых скоростей, даваемому формулой Рэлея.

6 Электромагнитная природа света

Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Оно в значительной степени способствовало выяснению природы света. На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости света в вакууме со значением скорости распространения электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет представляет собой электромагнитные волны. Эта гипотеза подтверждается многими экспериментальными фактами. Представлениям электромагнитной теории света полностью соответствуют экспериментально открытые законы отражения и преломления света, явления интерференции, дифракции и поляризации света. Особое значение скорости света лежит в основе постулата Специальной Теории Относительности, из которого следует, что ни одно тело, имеющее массу покоя, не может иметь скорость, равную или превышающую скорость света в вакууме. Согласно теории Максвелла скорость света в вакууме равна

где ε0 и µ0 — электрическая и магнитная постоянная. При распространении света в среде его фазовая скорость определяется формулой

где

— показатель преломления среды, ε и µ - диэлектрическая и магнитная проницаемость среды. Из формулы (4) следует, что скорость света в веществе определяется его электрическими и магнитными свойствами.

7 Измерение скорости света, испущенного ультрарелятивистским источником

Сотрудниками физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН Осуществлено прямое измерение скорости светового импульса от ультрарелятивистского электронного сгустка.

Утверждение о независимости скорости света от скорости источника было выдвинуто Альбертом Эйнштейном в качестве второго постулата его знаменитой специальной теории относительности (СТО). Обоснованию этого постулата в течение последнего столетия было посвящено множество астрономических наблюдений и экспериментальных исследований. Многократно на протяжении этого времени постулат подвергался сомнениям со ссылками на недостаточную точность измерений, что, как правило, было связано с малой скоростью v движения источника по отношению к скорости света c. В настоящей работе проведено прямое измерение скорости света от источника, движущегося с ультрарелятивистской скоростью, и нашли, что эта скорость, как и постулировал Эйнштейн, не отличается от табличной скорости света в вакууме.

В основу эксперимента было положено использование синхротронного излучения (СИ) сгустка релятивистских электронов, движущихся со скоростью, очень близкой к скорости света c, по искривлённой траектории в магнитном поле поворотного магнита накопителя электронов. В этих условиях легко померить скорость испущенного света в безукоризненном лабораторном вакууме.

Источником СИ служил накопитель электронов Сибирь-1 в Курчатовском центре синхротронного излучения НИЦ КИ. Общая схема эксперимента показана на рис. 1. Магнитная система электронного накопителя, формирующая замкнутую орбиту электронов, состоит из четырёх поворотных 90-градусных магнитов (М1-М4), разделённых четырьмя прямолинейными промежутками длиной по 60 см. Радиус R равновесной орбиты электронов в поворотных магнитах равен 1 м. Индукция магнитного поля на равновесной орбите равна 1.5 Т при номинальной энергии электронов 450 МэВ. Синхротронное излучение, создаваемое релятивистскими электронами в поворотных магнитах, имеет широкий спектр от инфракрасного и видимого до рентгеновского диапазона с характеристической длиной волны 61.3 Å. Оно приводит к потерям энергии в 3.69 кэ

В на оборот каждым электроном. Для компенсации потерь в промежутке № 1 накопителя находится высокочастотный (ВЧ) резонатор. Подводимая к нему ВЧ-мощность создаёт на ускоряющем зазоре резонатора напряжение с амплитудой 15 кВ и с частотой 34.53 МГц, равной частоте обращения электронного сгустка в накопителе. Распределение продольной плотности электронов в сгустке является гауссовым со стандартным размером a=0.30 м.

Рис. 10 — Схема эксперимента: М1-М4 — поворотные магниты; L1, L2 — катушки магнитного привода каретки. Расстояния указаны в метрах

Ось канала вывода СИ, являясь касательной к равновесной орбите в магните М3, идёт под углом 30° к оси прямолинейного промежутка № 4, следующего за магнитом М3. То есть точка излучения (начало отсчёта длины пути СИ вдоль оси канала) находится на расстоянии πR/3 от входного торца магнита М3. Длина канала от точки излучения до выходного сапфирового окна 7.2 м. Камера накопителя и канал вывода СИ составляют один вакуумный объём.

За выходным окном установлена собирающая линза, фокусирующая изображение пучка СИ на окно детектора излучения. В качестве детектора используется кремниевый фотодиод типа PIN Hamamatsu S5972 (область спектральной чувствительности 0.32−1 мкм, полоса частот 500 МГц, эффективная площадь чувствительной зоны 0.5 мм2).

Напряжение, создаваемое фототоком диода на нагрузке (50 Ом), поступало на первый вход двухканального осциллографа Tektronix TDS 3052C (полоса 500 МГц). На второй вход осциллографа подавался непрерывный синусоидальный ВЧ-сигнал синхронизации с измерительной петли резонатора. Чтобы исключить ошибку, вызванную различными фазовыми сдвигами сигналов, их транспортировка осуществлялась по однотипным помехозащищённым (с двойным экраном) коаксиальным кабелям одинаковой длины.

В процессе эксперимента была непосредственно измерена скорость импульса СИ. Она оказалась равной 2.99· 1010 см/с, что всего лишь на ~0.

3% ниже табличной скорости света в вакууме. Среднеквадратическая случайная ошибка измерения оценена величиной ~±0.

2%. Систематическая ошибка определяется точностью измерения длин траектории электронного пучка и луча СИ и не превышает ±0.

5%.

Полученные авторами результаты несовместимы с баллистической гипотезой Ритца, предполагающей галилеевское сложение скорости света со скоростью источника. Показано, что введение стеклянной пластинки в пучок света от ультрарелятивистского источника не меняет скорости света с точностью до долей процента, в то время как по логике гипотезы Ритца эта скорость после прохождения неподвижного окна должна была бы упасть вдвое. Этот эксперимент верифицирует ранее существовавшие астрономические свидетельства справедливости второго постулата СТО, которые систематически подвергались сомнению критиками СТО со ссылкой на преломляющее воздействие межзвёздного газа.

Найденная скорость с точностью до 0.

3% совпадает с табличным значением скорости света в вакууме. Полученный результат может рассматриваться в качестве наиболее прямого экспериментального подтверждения второго постулата специальной теории относительности А. Эйнштейна.

Заключение

Скорость света является важной физической величиной — фундаментальной постоянной, значение которой необходимо как для науки, так и для практической деятельности. Свойства скорости света и сама её величина играют огромную роль в природе. Предельный характер этой скорости существенно меняет наши представления о пространстве и времени.

Точное знание величины скорости света необходимо в радиолокации, при управлении космическими полетами, а также в других сферах практической человеческой деятельности.

В соответствии с современными представлениями, скорость света является максимально возможной (предельной) скоростью распространения взаимодействия между телами, силовых полей и т. д. Поэтому эксперименты по определению скорости света всегда занимали особое место среди физических измерений.

Эксперименты по измерению скорости света, повторяющиеся на протяжении столетий (с 1607 года и по настоящее время), привели к существенному пересмотру представлений ученых. За это время проведены тысячи экспериментов, многие из которых стали классическими.

Вопрос о скорости света продолжает интересовать ученых. История фундаментальной постоянной отчетливо демонстрирует её связи с важнейшими проблемами физики. По мере развития науки эти связи становятся более глубокими и многогранными.

В последнее десятилетие развиваются новые способы определения скорости света. Скорость света определяется, исходя из соотношения νλ=с, справедливого для любых электромагнитных волн независимо от частоты.

Новые методы разработки позволят в дальнейшем увеличить точность измерений скорости света.

1. Бутиков Е. И. Оптика. М.: Высшая школа, 1986

Гл.

2. С.126−136.

2. Ландсберг Г. С. Оптика.- М.: Наука. Физматлит, 1976.-928 с.

3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1985

4. Филонович С. Р. Самая большая скорость/Под ред. В. А. Фабриканта. — М.: Наука, 1983. — 176 с.

5. Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985. § 12.

6. Давыдов А. С. Квантовая механика. — М.: Физматлит, 1963.-748 с.

7. Методические указания к лабораторной работе по курсу общей физики № О-16 для студентов всех специальностей. — Томск: Изд-во ТПУ, 2010. 9 с.

8. Годжаев Н. М. Оптика. Учеб. Пособие для вузов. М.: «Высш. Школа», 1977. — 432 с.

9. Савельев И. В. Курс общей физики. Кн. 4, Волны. Оптика.- М.: Наука. Физматлит, 1998.-256 с.

10. Е. Б. Александров, П.А. Александров○ Измерение скорости света, испущенного ультрарелятивистским источником. Письма в ЖЭТФ, том 94, вып. 5, с. 374−376 (10 сентября 2011 г.)

11. Einstein, Ann. der Phys. 17, 891 (1905).

12. Г. Б. Малыкин, Опт. и спектр. 107, 624 (2009)

13. Filipchenko, V. Korchuganov, Yu. Krylov et al., NIM, A 448, 8 (2000).

14. О. М. Дуплищева, И. И. Шпирка, Результаты экспериментальных исследований М. И. Дуплищева закономерностей явления излучения и распространения света в Пространстве, Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2008, 35 с.

15. E.Б. Александров, Астрономический журная 42, 676 (1965).

Бутиков Е. И. Оптика. М.: Высшая школа, 1986

Гл.

2. С.126−136.

Ландсберг Г. С. Оптика.- М.: Наука. Физматлит, 1976.-928 с.

Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1985

Филонович С. Р. Самая большая скорость/Под ред. В. А. Фабриканта. — М.: Наука, 1983. — 176 с.

Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985

Давыдов А. С. Квантовая механика. — М.: Физматлит, 1963.-748 с.

Методические указания к лабораторной работе по курсу общей физики № О-16 для студентов всех специальностей. — Томск: Изд — во ТПУ, 2010. 9 с.

Годжаев Н. М. Оптика. Учеб. Пособие для вузов. М.: «Высш. Школа», 1977. — 432 с.

Савельев И. В. Курс общей физики. Кн. 4, Волны. Оптика.- М.: Наука. Физматлит, 1998.-256 с.

Е. Б. Александров, П.А. Александров○ Измерение скорости света, испущенного ультрарелятивистским источником. Письма в ЖЭТФ, том 94, вып. 5, с. 374−376 (10 сентября 2011 г.)

A. Einstein, Ann. der Phys. 17, 891 (1905).

Г. Б. Малыкин, Опт. и спектр. 107, 624 (2009)

A. Filipchenko, V. Korchuganov, Yu. Krylov et al., NIM, A 448, 8 (2000).

О.М. Дуплищева, И. И. Шпирка Результаты экспериментальных исследований М. И. Дуплищева закономерностей явления излучения и распространения света в Пространстве, Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2008, 35 с.

E.Б. Александров, Астрономический журнал 42, 676 (1965).