Đo tốc độ ánh sáng

20

Thậm chí từ 300 năm trước Công nguyên, các nhà khoa học Hy Lạp đã biết rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng, có đặc tính bị phản xạ từ bề mặt của mắt và góc tới bằng góc phản xạ. Kiến thức cổ xưa cũng nói về sự khúc xạ ánh sáng. Claudius Ptolemy, nhà thiên văn học và toán học vĩ đại thời cổ đại, đã biên soạn các bảng đo lường góc tới và góc khúc xạ. Nhưng không có sự đồng thuận về vấn đề tốc độ ánh sáng trong khoa học cổ đại. Hầu hết các nhà khoa học thời đó, bao gồm cả Aristotle, tin rằng tốc độ ánh sáng là vô cùng cao - xét cho cùng, nó không thể đo được dù chỉ gần đúng bằng bất kỳ dụng cụ và phương pháp nào tồn tại vào thời điểm đó. Tuy nhiên, 900 năm trước, nhà khoa học và bác sĩ người Ả Rập Avicenna đã đề xuất rằng tốc độ ánh sáng, dù rất cao nhưng là hữu hạn. Algazen đương thời của ông cũng đồng ý với ông. Nhưng tất nhiên, không ai trong số họ có thể chứng minh quan điểm của mình bằng sự thật hoặc thí nghiệm.

Bằng cách này hay cách khác, tất cả các thế hệ trong nhiều thế kỷ đã trôi qua hoặc quan tâm đến bản chất của ánh sáng, bằng chứng là những huyền thoại, truyền thuyết và truyền thống đã đến với chúng ta. Mối quan tâm vô tận này đối với các hiện tượng tự nhiên ban đầu là động cơ duy nhất thúc đẩy các nhà khoa học chấp nhận phép đo thực nghiệm về tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, từ các nhà vật lý thực nghiệm lớn nhất

tator Albert Michelson, người đã dành gần như cả cuộc đời mình để đo tốc độ ánh sáng, khi được các phóng viên hỏi: “Tại sao lại cần điều này?” trả lời: “Điều này thật thú vị!” Nhưng ngay cả trước công trình của Michelson, việc xác định tốc độ ánh sáng và sự phụ thuộc của nó vào các điều kiện khác nhau đã có đặc điểm không chỉ thỏa mãn sự tò mò của các nhà khoa học. Ý tưởng ngày càng thú vị về “ête phát quang”, câu hỏi về bản chất sóng hoặc hạt của ánh sáng, và sau đó là lý thuyết tương đối đòi hỏi kiến ​​thức chính xác về tốc độ ánh sáng. Ở thời đại chúng ta, việc xác định chính xác đại lượng này có ý nghĩa hoàn toàn thực tế. Cần phải biết nó khi tính năng lượng của các phản ứng hạt nhân và đo khoảng cách giữa các vật thể trong không gian liên quan đến việc mở rộng nghiên cứu không gian và trong nhiều vấn đề quan trọng không kém khác.

Người đầu tiên cố gắng xác định bằng thực nghiệm tốc độ ánh sáng là Galileo Galilei. Phương pháp của ông cực kỳ đơn giản, nhưng đáng tiếc là không mang lại kết quả. Đây là cách chính Galileo mô tả nó:

“Kinh nghiệm mà tôi nghĩ ra như sau: Hai người mỗi người cầm một ngọn lửa, đặt trong một chiếc đèn lồng hoặc những thứ tương tự, có thể mở hoặc đóng bằng chuyển động của bàn tay khi nhìn thấy rõ ràng.

22

Cơm. 2.

Sẽ lan truyền trong ống kính thiên văn ($\tau = \frac{l}{c}$, trong đó $c$ là tốc độ ánh sáng, $l$ là chiều dài của ống), Trái đất sẽ chuyển động dọc theo quỹ đạo một đường bằng $v \cdot \tau$, và ảnh của ngôi sao sẽ di chuyển ra xa tâm trường nhìn đến cùng một khoảng cách (Hình 2, a). Để đưa hình ảnh của ngôi sao về vị trí của nó, bạn cần phải nghiêng kính thiên văn theo hướng chuyển động của Trái đất một góc $\alpha$ sao cho $tg \alpha = \frac{v \tau}{l}$ (Hình 2, b). Vì $l = c \tau$, nên $tg \alpha = \frac{v \tau}{c \tau} = \frac{v}{c}$. Do đó $c = \frac{v}{tg \alpha}$. Điều tương tự sẽ xảy ra trong
điểm đối diện với quỹ đạo trái đất nhưng điện thoại sẽ nghiêng theo hướng ngược lại. Do đó, hướng tới cùng một ngôi sao có thể khác nhau một góc tối đa là $2\alpha$. Những thay đổi cho thấy rằng $2\alpha = 41''$. Trong quá trình quan sát thiên văn, kính thiên văn tất nhiên không bị nghiêng. Nhờ sự thay đổi hướng của tốc độ Trái đất, hình ảnh của ngôi sao sẽ ở những điểm khác nhau trong tầm nhìn của kính thiên văn vào những ngày khác nhau và sẽ tạo thành một hình elip trong suốt cả năm. Trục chính của hình elip này sẽ được nhìn thấy từ tâm thấu kính ở góc $2\alpha$. Biết góc $\alpha$, Bradley tìm ra tốc độ ánh sáng và thu được giá trị của nó là 303.000 km/giây. Đó là vào năm 1728.

Tuy nhiên, các nhà khoa học không hài lòng; họ muốn thay đổi ánh sáng ban đầu không đủ trên Trái đất mà không rời khỏi ranh giới của hành tinh quê hương của họ để mọi điều kiện của thí nghiệm đều được kiểm soát. Lời giải đã phải đợi một trăm hai mươi năm cho việc này bài toán.

Năm 1849, nhà vật lý người Pháp Armand Hippolyte Louis Fizeau đã nghĩ ra một phương pháp khá đơn giản cho việc này. Sơ đồ của nó như sau (Hình 3). Một tia sáng từ một nguồn $S$ chiếu vào một tấm gương nửa mở $\Pi$, bị phản xạ từ nó và truyền qua các đường thu tới một điểm đứng yên

Cơm. 3

24

Chiều dài của đế là $r$, sau đó cho ánh sáng truyền đi $3_13_2$ và quay ngược thời gian $\Delta t = \frac{2r}{c}$. Trong thời gian này, gương $3_1$ quay với tần số $n$ (rpm), sẽ quay một góc $\alpha = 2\pi n \cdot \frac{2r}{c}$. Theo định luật phản xạ, góc giữa tia 1 và 2 (xem Hình 4) trên đường đi $3_1\Pi$ sẽ bằng $2\alpha = 8\pi n \cdot \frac{r}{c}$.

Do đó, ảnh $S'_1$ mà người quan sát nhìn thấy bằng gương quay $3_1$, hóa ra được trộn với ảnh $S'$, thu được bằng gương đứng yên $3_1$, một góc bằng $8\pi n \cdot \frac{r}{c}$.

Sử dụng phương pháp này, Foucault thu được giá trị $c = 298000$ km/giây cho tốc độ ánh sáng trong không khí.

Theo kế hoạch ban đầu của Arago, Foucault đã sử dụng khả năng sắp đặt của mình để thay đổi tốc độ ánh sáng trong nước. Để làm được điều này, ông đã thay đổi một chút tính chất bằng cách trang bị cho nó hai gương cầu nằm đối xứng nhau và đặt nước giữa một trong số chúng và gương quay. Điều này cho phép anh ta so sánh tốc độ ánh sáng trong nước và không khí và thấy rằng tốc độ ánh sáng trong nước bằng $3/4$ giá trị của nó trong không khí. Kết quả này là đòn cuối cùng giáng vào lý thuyết hạt ánh sáng của Newton.

Các phương pháp vật lý và Foucault cho phép thay đổi tốc độ ánh sáng với độ chính xác $\pm 500$ km/giây.

Năm 1873, Alfred Cornu, người lặp lại thí nghiệm vật lý, đã thay đổi tốc độ ánh sáng với độ chính xác $\pm 200$ km/giây.

Năm 1877, nhà vật lý người Mỹ Albert Michelson đã đưa ra các điều kiện của ánh sáng với độ chính xác $\pm 50$ km/giây.

Nhưng Michelson không hài lòng với kết quả này. Từ năm 1877 cho đến cuối đời, ông liên tục quay lại việc thay đổi tốc độ ánh sáng, không ngừng cải tiến cách sắp đặt của mình. Giá trị $c = 299796 \pm 4$ km/giây mà Michels thu được từ lâu được coi là chính xác nhất.

Trong bài toán thay đổi tốc độ ánh sáng, các thí nghiệm của Michelson đã hoàn thành một giai đoạn có thể gọi là cổ điển. Nhưng ngay cả trước khi công trình của Michelson kết thúc, các thí nghiệm mới đã được thực hiện, trên cơ sở kỹ thuật và ý thức hệ mới, được cung cấp bởi sự phát triển nhanh chóng của vật lý. Những thí nghiệm này vẫn tiếp tục cho đến ngày nay; Mục tiêu của họ là thiết lập giá trị chính xác nhất cho tốc độ ánh sáng.

Các phương pháp hiện đại để thay đổi tốc độ ánh sáng có thể được chia thành