Свет, распространяющийся от какого-то источника, достигает наблюдателя не моментально, а через некоторое время. Скорость распространения электромагнитных волн очень велика. Вследствие этого свет проходит очень большие расстояния за очень короткие промежутки времени.
Понятно, что для опытного определения скорости света нужны или расстояния астрономических масштабов, или приборы, которые позволяли измерять очень малые промежутки времени. Это было причиной того, что Г. Гали-лей свое время не удалось измерить скорость света. Однако сама попытка измерить скорость света свидетельствовала о том, что Г. Галилей имел правильные представления о конечности скорости распространения света.
При астрономических наблюдениях любого явления, что происходит на удаленном от нас небесном светиле, световой сигнал об этом поступит тем позже, чем дальше находится Земля от него. Понятно, что мы будем наблюдать явление с опозданием, равный времени, за которое свет проходит путь от светила к Земле.
Если мы наблюдаем любой периодический процесс, который происходит в удаленной от Земли системе, то при неизменном расстоянии между Землей и системой такое опоздание не влияет на наблюдаемый период процесса. Моменты времени, соответствующие началу и концу периода, определим с одинаковыми опозданиями, а разница их, равный периоду, остается неизменной. Другое дело, когда за время периода этого явления Земля удалится или приблизится к фиксированной системы. В первом случае конец периода будет зафиксировано с большим опозданием, чем начало, что при соответствующем отношении приведет к мнимому увеличению периода. Во втором случае, наоборот, конец периода будет зарегистрировано с меньшим опозданием, чем начало, что приведет к мнимому уменьшению периода. Мнимая изменение периода составляет в обоих случаях частному от деления разности расстояний между Землей и системой в начале и конце этого периода на скорость света.
Изложенные соображения позволяют понять принцип определения скорости света, предложенный 1676 датским астрономом 0. Ремер (1644-1710), который для этого воспользовался затмением одного из спутников Юпитера (рис. 14.1). Затмение имеют период 42 ч 27 мин 33 с. При движении Земли по участку орбиты MBNj вследствие удаления Земли от Юпитера, должно наблюдаться увеличение периода, наоборот, при движении Земли по участку орбиты NAM наблюдаемый период будет меньше истинного. Однако изменение отдельного периода была слишком малой, чтобы 0. Ремер мог ее непосредственно заметить. Эффект оказался только при сравнении результатов наблюдения за полгода, причем наблюдения начались в момент «противостояния» Земли (точка M на орбите). За полгода наблюдалось более 40 затмений, а промежуток времени между первым и последним затмениями оказался примерно на 22 мин больше от рассчитанного теоретически. В вычислениях были использованы истинное значение периода затмения, определенное в точках орбиты, близких к «противостояния», где расстояние между Землей и Юпитером почти не меняется со временем.
Это расхождение правильно объяснил 0. Ремер. Поскольку за 6 месяцев Земля перешла из точки M в точку N, то светлую приходится на конец полугодия проходить путь, больше на длину отрезка MNy равной диаметру земной орбиты. Незаметные для отдельного периода опоздания накапливаются и образуют результирующее опоздания. Это опоздание показывает, что свет проходит расстояние, равное диаметру земной орбиты, за 22 мин. Отсюда 0. Ремер нашел, что скорость распространения света равна 225 000 км / с. Он получил несколько заниженное значение скорости света, поскольку неточно нашел время опоздания. На самом деле это опоздание за полгода составляет 16,5 мин, что соответствует скорости света около 300 000 км / с.
Вследствие конечности скорости распространения света явления, происходящие на Солнце, мы видим такими, какими они были 8,25 мин назад. Свет от звезд достигает Земли за время от нескольких лет до сотен тысяч лет. Поэтому иногда принимать свет, излучаемое звездой прекратила свое существование несколько тысяч лет назад.
Для измерения скорости света в земных условиях нужно точно измерять очень малые промежутки времени, в течение которых свет проходит сравнительно небольшие расстояния. Впервые такое измерение совершил 1849 французский физик А. Физо. Он использовал установку, схема которой приведена на рис. 14.2. Основной элемент установки - зубчатое колесо Z), которое быстро вращается вокруг своей оси. Если колесо неподвижно, то свет от точечного источника, отразившись от зеркала М, проходит через промежуток между зубцами колеса Z), отражается от зеркала В и направляется к наблюдателю А. Для прохождения светом расстояния вторая от колеса к зеркалу В и обратно нужное время t = 2а / с. Если колесо, которое имеет m зубцов, привести во вращение и подобрать число оборотов в секунду п таким, что за время t колесо вернулось на пивзубця, то свет, отраженный от зеркала В, будет задержано, и наблюдатель его не увидит. Отсюда можно найти, что t = 1 / (2ТП). Зная m, а и измеряя на опыте величину п, можно вычислить скорость света с = 4тпа. В опытах Физо расстояние 2а = 14 км. Для скорости света он получил значение 315 000 км / с.
В 1862 г. французский физик Ж. Фуко применил для измерения скорости света в воздухе и воде метод вращающегося зеркала, идея которого принадлежит Д. Араго. Определяя скорость света в воде, он нашел, что она меньше скорости света в воздухе. Найденный результат опровергает ньютоновскую корпускулярную теорию света, согласно которой преломления света можно было объяснить противоположным предположением. Ж. Фуко нашел для скорости с света в вакууме такое значение: с = (298000 ± 500) км / с.
Метод вращающегося зеркала значительно усовершенствовал А. Майкельсон. В своем опыте он взял для пробега светового луча расстояние между вершинами двух гор, составляла 35,4 км. Метод Майкельсона оказался исключительно точным. А. Майкельсон получил для скорости света в воздухе такое значение: с = (299796 ± 4) км / с. Позже он измерил скорость света в разреженном воздухе и получил с = (299774 ± 2) км / с. Точное сравнение скорости света в воде и в воздухе, совершенное А. Майкельсоном, показало, что скорость в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Этот результат хорошо согласуется с экспериментальными данными о преломлении света и с волновой теорией преломления. Объяснил проявленную противоречие английский физик Дж. Рэлей (1842-1919). Он доказал, что при измерениях скорости света методом Фуко и другими методами определяется так называемая групповая скорость световых волн, тогда как по показателю преломления определяется их фазовая скорость.