Швидкість світла. Магистерская

Арендный блок

Історія швидкості світла тривалий час реконструювалася в основном як  історія дослідів по її виміру. Фундаментальний двухтомний огляд усіх дослідів   за визначенням швидкості світла, проведенных до початку XX століття, включаючи непрямі досліди, з яких можна було витягнути значення швидкості світла, опублікував в1903 р. Б.П. Вейнберг (Вейнберг,1903). Метою Вейнберга було переглянути усі результати з точки зорувиявлення систематичних помилок і вивести на основі цього аналізу найбільш вірогідне значення швидкості світла. Отримане ним значення - 299857 км/с з можливим відхиленням  до 1/8000. На жаль, це фундаментальне дослідження виявилося незаслужено обійдене увагою, можливо, через те, що в назві книги був  присутнім термін "ефір", що випав з фізики після статті Ейнштейна 1905 р., а також через те, що воно було опубліковане тільки російською мовою.  Вимірюванню швидкості світла була також присвячена книга К. Фрума і Л. Ессена "Швидкість світла і радіохвиль"(Фрум, Ессен, 1969). Серед джерел з історії швидкості світла виділяються стаття і монографія І.Б. Коена про О. Ремере і перше визначення швидкості світла [Cohen, 1944), монографія С.Р. Філоновіча “найбільша швидкість” (Філоновіч, 1983), стаття У.І. Франкфурту (Франкфурт, 1960).

Кілька разів до історії СТВ зверталися самі її творці — А. Ейнштейн, Г.А. Лоренц, Г. Мінковський, прагнучи показати об'єктивний характер релятивістської революції, що сталася, а також такі учені, як М. Борн, Ст Паулі, В.Л. Гинзбург ). Книга Паулі “Теорія відносності” (1921) поєднувала детальне викладення спеціальної теорії відносності з коротким, але достатньо інформативним історичним оглядом. Фундаментальна монографія по історії СТВ, побудована як історична реконструкція всіх ідей, що увійшли до основоположної статті А. Ейнштейна (Einstein, 1905b), опублікована А. Міллером (Miller, 1981). Серед інших історичних досліджень слід зазначити двухтомну “Історію теорій ефіру та електрики” Е. Уїттекера, монографії А. Пайса, У.І. Франкфурту, М-А. Тоннели, С. Гольдберга та інші, а також статті Вс. До. Фредерікса і Д. Д. Іваненко, Д. Холтона, С. Гольдберга, М. Клейна і А. Нідела, Дж. Кесуані, А.А. Тяпкіна, І.Ю. Кобзарева ) та ін. Б.В. Булюбашем в рамках дослідження різних теорій електромагнетизму XIX століття була проаналізована постійна розмірність швидкості, що фігурували в цих теоріях (Булюбаш, 1987). Оригінальні статті класиків релятивізму, а також деякі історіко-наукові статті увійшли до збірок (Принцип відносності, 1935; 1973). Історія швидкості світла може бути представлена різними способами: як історія дослідів по її виміру, як хронологічно впорядкована сукупність відкриттів, зв'язаних із швидкістю світла, як сукупність вкладів окремих учених та ін. У даному дослідженні вибраний підхід до історії швидкості світла через історію відкриття основних концептуальних аспектів, пов'язаних із спеціальною теорією відносності.

Від абсолютної до відносної одночасності.

Становлення класичної фізики пов'язане перш за все із затвердженням понять абсолютного часу і абсолютної одночасності, без опори на яких не удалося б формалізувати спостережувані закономірності. До початку XVII ст. панували уявлення про миттєвості світла, а про одночасність просторово розділених подій судили по прийому візуальної інформації. Це ж служило зворотним аргументом на користь миттєвості світла — коло замикалося. Ось характерні “аргументи” миттєвості світла, що висловлювалися до початку XVII ст.: як тільки відбувається постріл із знаряддя — ми відразу бачимо спалах, а лише через деякий час чуємо звук; як тільки Сонце піднімається на горизонті — ми відразу бачимо його промені і тому подібне. Таким чином, у той час поняття одночасності і швидкості поширення світла були тісно пов'язані один з одним і система поглядів (абсолютна одночасність і миттєвість світла) була самоузгодженою. Критику подібних вистав дали Ф. Бекон в “Новому Органоне” (1620) і Г. Галілей в “Бесідах і математичних доказах...” (1638).

Ф. Бекон висловив в “Новому Органоне”, як він сам виразився, “жахливий сумнів: чи розрізняється поверхня ясного зоряного піднебіння в той самий час, коли вона дійсно існує, або ж декілька пізніше за це” і уклав, що із спостереження пострілу з вогнепальної зброї витікає лише, що “ рух світла протікає швидше, ніж рух звуку ” {Бекон, 1620, т. 2, с. 182-183). Г. Галілей загальноприйняті думки про зв'язок одночасності подій і миттєвості світла вкладає у вуста Симплічио (персонажа “ Бесід...”, узагальненого образу простака): “ Повсякденний досвід показує, що поширення світла здійснюється миттєво. Якщо ви спостерігаєте з великої відстані дію артилерії, то світло від полум'я без всякої втрати часу відображається в нашому оці в протилежність звуку який доходить до вуха через значний проміжок часу ”. Сагредо — опонент Симплічіо, спростовує його аргументи: “ Ну, синьйор Симплічіо, з цього загальновідомого досвіду я не можу вивести жодного іншого висновку, крім того, що звук доходить до нашого слуху через великі проміжки часу, ніж світло; але це ніскільки не переконує мене в тому, що поширення світла відбувається миттєво і не вимагає відомого, хоча і малого часу ”. Сагредо показує далі, що і аналогічний аргумент — “ як тільки Сонце піднімається на горизонті, блиск його негайно ж досягає наших очей ”, також неспроможний, оскільки думка про одночасність подій засновано саме на прийомі світлового сигналу: “ Хто ж може довести мені, що промені його не з'явилися на горизонті раніше, ніж дійшли до моїх очей?”. Саме після цих слів Галілей вустами свого третього персонажа Сальвіаті пропонує досвід по виміру швидкості світла. Ідея Г. Галілея постановки досліду по виміру швидкості світла з'явилася фактично втіленням беконівської методологічної програми звільнення свідомості від “ ідолів ” або “ примар ”, обумовлених у тому числі повсякденним досвідом, і постановки “ вирішальних експериментів ”, хоча в точності не встановлено, чи знав Галілей про ідеї Бекона, викладені в “ Новому Органоне ”. У XVII ст.. уявлення про абсолютну одночасність лягло в підставу класичної механіки і фізики, а світло вже не використовувалося для обґрунтування одночасності і перейшло в розряд звичайних явищ, що підлягають експериментальному вивченню. І. Ньютон в “ Повчанні ” на самому початку “ Математичних начал натуральної філософії після “ Визначень ” пояснив, що він розуміє під простором, часом і рухом. Він підкреслив, що ці поняття “ необхідно розділяти на абсолютних і відносних, достеменних і таких, що здаються, математичні і буденні ”. Під абсолютним часом він розумів час, який “ сам по собі і по самій своїй суті, без жодного відношення до чого-небудь зовнішньому, протікає рівномірно ”. Під відносним часом він розумів інтервали часу, що осягаються відчуттями і пов'язані з якими-небудь рухами, — година, день, місяць, рік, і тому нерівномірні і вимагаючі введення поправок. Ньютон відзначив: “ Можливо, що не існує (у природі) такого рівномірного руху, яким час міг би вимірюватися з досконалою точністю ” В ході переосмислення просторово-часових понять на рубежі XIX-XX ст., поняття одночасності і швидкості світла знов виявляються тісно зв'язаними, як і до XVII ст., але вже на абсолютно іншому рівні. Відбувається відмова від абсолютності простору, часу і одночасності, що зіграли важливу роль в становленні класичної фізики, і затверджується концепція локального часу і відносної одночасності, що встановлюється за допомогою передачі сигналу із швидкістю світла. Це перетворення основ фізики було передбачене концептуальною критикою А. Пуанкаре основоположних понять класичної фізики — абсолютного простору, абсолютного часу і абсолютної одночасності, даної їм в статті “ Вимір часу ” (Poincare, 1898) і в книзі “ Наука і гіпотеза ” (Ротсаге, 1902). У статті “ Вимір часу ” Пуанкаре відзначив конвенциональность прийнятих понять часу і одночасності, порочність круга обґрунтування одночасності через причинність, відсутність природної міри часу (“ ми можемо знати, що деякий факт передує іншому, але не знаємо наскільки, а також неможливість “ визначити безпосередньо на основі інтуїції рівність двох інтервалів часу ”. У цій же статті Пуанкаре говорив про неявно прийнятому всіма “ постулати ” постійності швидкості світла і відзначив, що цей постулат “ дав нам нове правило для пошуків одночасності ”. Цю статтю Пуанкаре завершив наступним твердженням: “ Одночасність двох подій або порядок 3 їх дотримання, рівність двох тривалості повинні визначатися так, щоб формулювання природних законів було б настільки простим, наскільки це можливо. Іншими словами, всі ці правила, всі ці визначення є лише плодом неусвідомленої угоди ”.

У книзі “ Наука і гіпотеза ” в главі “ Про принцип відносності простору і руху ” він писав: “1. Абсолютного простору не існує, ми знаємо лише відносні рухи. Тим часом найчастіше виражають механічні факти так, як якби існував абсолютний простір, до якого їх можна було б віднести. 2. Не існує абсолютного часу. Твердження, що два проміжки рівні, само по собі не має сенсу, і можна застосовувати його лише умовно. 3. Ми не здібні до безпосереднього сприйняття не лише рівності двох проміжків часу, але і не можемо бути упевненими в одночасності двох подій, що відбуваються в різних місцях. (Я пояснив це в статті "La mesure du temps”). 4. Нарешті, сама наша евклідова геометрія — лише свого роду умовна мова. Ми могли б викласти факти механіки, відносячи їх до простору не евклідову, яке було б основою менш зручною, але настільки ж законною, як і наш звичайний простір. Таким чином, абсолютний простір, абсолютний час, навіть сама геометрія не мають характеру речей, прославляли собою механіку” . Далі Пуанкаре відзначає: “ Можна було б спробувати викласти основні закони механіки на мові, незалежній від всіх цих умов ”. Проте зміна “ мови ” приводить на його думку, до ускладнення опису реальності. В. Фогтом в статті 1887 р., потім Г.А. Лоренцем в статті 1892 р. і в книзі 1895 р., Дж. Лармором в книзі “ Ефір і матерія ” 1) використовувалося перетворення тимчасової координати назва місцевого (локального) часу, що отримало. Це був лише допоміжний прийом, що дозволяє відновлювати інваріантність рівнянь Максвелла. У доповіді в Сент-Луісі у вересні 1904 р. “ Сьогодення і майбутнє математичної фізики ” А. Пуанкаре відзначив, що “у нас немає засобів відмітити ” відмінність локального часу t '' від “ дійсного ” t . Сенс того, що зробив А. Ейнштейн, як пізніше відзначив Р. Мінковський, полягає в тому, що він показав рівнозначність tut ''.У цій же доповіді в Сент-Луісі Пуанкаре обговорював синхронізацію двох пунктів А до В за допомогою світлових сигналів, але допускав можливість повідомлення сигналами, що перевищують швидкість світла, посилаючись на гіпотезу Лапласа про поширення тяжіння зі швидкістю “в мільйон разів швидше за світло ”, і, отже, можливість виявлення абсолютного руху.

Критика А. Пуанкаре поняття абсолютної одночасності, висловлена їм в книзі "Наука і гіпотеза", поза сумнівом зробила направляючий вплив на створення спеціальної теорії відносності. Саме цю книгу Пуанкаре Ейнштейн разом з друзями штудіював будучи студентом Цюріхського політехнікуму. Також сам термін "принцип відносності" був, очевидно, сприйнятий Ейнштейном саме від Пуанкаре. У 1905 р. Ейнштейн проголосивши відмову від апріорного поняття "Абсолютної одночасності" і перейшов до встановлення відносної одночасності операциональним чином через передачу світлового сигналу (Einstein, 1905b; русявий. пер: Ейнштейн, 1905b). Вважається, що із статтею 1904 р. А. Пуанкаре Ейнштейн не був знайом, проте важливе місце в статті Ейнштейна займає саме синхронізація часу в двох пунктах А і В. Свою статтю Ейнштейн починає із заперечення на основі узагальнення даних дослідів поняття “ Абсолютного спокою ” і в першому параграфі дає “ визначення одночасності ”. “Ми повинні звернути увагу на те, що всі наші думки, в яких час грає яку-небудь роль, завжди є думками про одночасні події", — відзначив Ейнштейн .

Таким чином, одночасність опісля майже триста років знову виявилася пов'язаною зі світлом, але що вже поширюється з кінцевою постійною швидкістю. Проте значення такого підходу, що виявився надзвичайно продуктивним, виходило за рамки конкретно світлового явища. Фактично йшлося про синхронізацію годинника за допомогою процесу, що поширюється з фундаментальною швидкістю, співпадаючою із швидкістю світла у вакуумі. Ці питання розглядалися в статті Н.Д. Мермина, який "вимкнув світло" з обґрунтування СТВ і показав, що релятивістський закон складання швидкостей можна отримати з принципу відносності, розширеного з урахуванням існування інваріантної швидкості

Відкриття скінченності швидкості світла.

Для відкриття скінченності швидкості світла існували як наукові, так соціокультурні передумови. Основними науковими передумовами цього відкриття були: 1) усвідомлення, що усі спостережувані явища зовсім не свідчать на користь миттєвості світла (Ф. Бекон, Г. Галілей); 2) ідея досвідченого визначення швидкості світла (П. Сарпи, Г. Галілей; Г. Галілею належить, мабуть, перше використання у пресі терміну "швидкість світла" - "velocita de lume"); 3) оцінки нижньої межі швидкості світла (Р. Декарт, X. Гюйгенс, І. Ньютон, О. Ремер) - підхід, аналогічний сучасним оцінкам меж тих або інших фізичних параметрів (маси фотона, пропорціональності між інертною і гравітаційною масами і т. д.); 4) моделі світла : усі моделі, пропоновані в XVII ст. були ґрунтовані на аналогії з природними процесами (т. е. процесами, що протікають з кінцевою швидкістю), в т.ч. корпускулярна (Р. Декарт, И. Ньютон) і хвилева моделі світла (X. Гюйгенс); 5) пояснення заломлення світла на основі тієї або іншої моделі світла фактично припускало зміну швидкості світла в середовищі (Р. Декарт, П. Ферма, X. Гюйгенс, И. Ньютон). Таким чином до 1660-70-м рокам, незважаючи на загальноприйняті уявлення про миттєвість світла, найбільш великі учені, такі як X. Гюйгенс, И. Ньютон, фактично перейшли до уявлень про скінченність швидкості світла, що видно з їх оцінки роботи О.Ремера, яку вони розглядали як експериментальний доказ скінченності швидкості світла.

Основною соціокультурною передумовою відкриття скінченності швидкості світла стала проблема отримання надійного методу визначення довготи на морі - проблема, виключно важлива для мореплавання, рішення якої прагнули досягти впродовж усього XVII століття. Цю проблему (фактично проблему визначення часу) можна було розв'язати двома способами: або створити годинник, який підтримували б точний хід незалежно від руху або знайти природний " годинник" на небі (т. е. періодичні процеси, які можна було б використати як годинник). Г. Галілей, що відкрив перші чотири супутники Юпітера, сам же і запропонував використати їх затьмарення для визначення довготи на морі; у зв'язку з цим він листувався з політичними діячами Іспанії і Голландії. Фактично саме його програма - складання точних таблиць затьмарень супутників Юпітера, - і реалізовувалася в Паризькій обсерваторії в 1660 - 70 - ті рр. Практичним підсумком виконання цієї програми стало уточнення координат французьких міст. Для цілей навігації на морі цей метод виявився малопридатним, проте в результаті спроб його реалізації були відкриті періодичні коливання періоду звернення першого супутника Юпітера Ио, які були інтерпретовані Ремером як поширення світла, що здавалися внаслідок кінцевої швидкості. Таким чином результатом прикладних досліджень стало фундаментальне відкриття скінченності швидкості поширення світла.

Ідеї досвідченого визначення швидкості світла висловлювали П. Сарпи, Г. Галілей та ін. У кінці XVI ст. італійський теолог і учений П. Сарпи припустив, що "якщо показати і сховати джерело світла, то було б як із звуком: спочатку його перестав би бачити ближній сусід, тоді як далекий починав би бачити світло, проте різниця є б тут менша, тому що швидкість світло більше" (Льоцці, 1965, с. 78). Це міркування було знайдене в паперах Сарпи тільки у кінці XIX століття італійським істориком П. Кассани (Савват, 1882). Для сучасників Сарпи воно залишалося, мабуть, невідомим, хоча М. Льоцці вважає, що можливо були бесіди між П. Сарпи і Г. Галілеєм, які і " надихнули" Галілея. Проти цієї точки зору - те, що Галілей залишався прибічником миттєвості швидкості світла і після смерті Сарпи в 1623 р., а перейшов до ідеї скінченності швидкості світла тільки в середині 1630-х рр. (хоча вплив ідей, звичайно, не носить миттєвого характеру). Окрім цього, абстрактне міркування Сарпи далеко від плану конкретного досвіду. Схема Сарпи ґрунтована на ідеї абсолютного часу. Вона вимагає наявності у експериментаторів абсолютно точно погодженого годинника, що не міняє хід при перенесенні їх в іншу точку простору. Невідомо, чи знав Галілей про ідеї Сарпи, але схема досвіду Галілея виглядає розвитком і завершенням з точки зору експериментальної доцільності схеми Сарпи - в "Бесідах.". він пропонує визначати різницю в часі повернення світла в ту ж точку, звідки він і був випущений.

Суть запропонованого Галілеєм (вустами Сальвіаті) досвіду - дві людини стають один проти одного на відстані декілька ліктів з ліхтарями в руках. Один з них відкриває заслінку ліхтаря, інший робить те ж у той момент, коли побачить світло від першого ліхтаря. Після певного тренування той же досвід повторюється на відстані двох-трьох миль. Учасники досліду "починають уважно спостерігати, чи виходить відповідь на відкриття і закриття вогню з тією ж швидкістю, що і на близькому відстані; якщо це так, то можна з достовірністю зробити висновок, що поширення світла відбувається миттєво; якби для цього був потрібний час, та відстань в три милі, пробегаемое світлом від одного джерела до ока іншого учасника і назад, було б достатнім, щоб виявити відоме запізнення"

Аналіз тексту "Бесід.". дозволяє зробити виведення, що Галілей ототожнив розряд блискавки з поширенням світла, оцінив швидкість світла і саме на основі своєї оцінки і запропонував цей досвід. На це вказує передусім те, що Галілей, описуючи схему досліду формулює свій досвід, як якісний досвід, свого роду ехрептепШт сгисьБ, що дозволяє "з достовірністю" з'ясувати, - чи поширюється світло миттєво або для цього потрібно час. Абсолютно очевидно, що Галілей, розуміючи, що це - чисто кількісний досвід, але представляючи його як якісний, абсолютно упевнений в позитивному результаті, т. е. у тому, що його досвід, постав¬ленний на відстані в 3 милі, доведе скінченність швидкості світла, бо негативний результат не доводить миттєвості світла. Поставлений досвід, за словами Сальвіаті, дав негативний результат. Сальвіаті розповідає, що він здійснив цей досвід на відстані менше 1 милі, "але не зміг переконатися, чи дійсна поява протилежного світла здійснюється несподівано". Відомо, що Галілей звідси не робить висновку про миттєвість поширення світла : "Але якщо воно відбувається і не раптове, то в усякому разі з надзвичайною швидкістю, майже миттєво". Таким чином, Галілей-Сальвіаті прекрасно розуміє, що негативний результат досвіду на 1 милі доки обкреслює лише нижню межу швидкості світла. Разом з вказівкою про невдачу експерименту на відстані "менше 1 милі", Галілей висловлює упевненість в успіху досвіду на рас¬стоянні в 3 милі ("відстані в 3 милі було б достатнім, щоб виявити запізнювання"). Це говорить про очікування ним деякого значення запізнювання світла. Таким чином, його досвіду, очевидно, передувала оцінка запізнювання світла і сама ідея досвіду була ним запропонована саме на основі очікування деякого конкретного значення запізнювання. Таким чином, його досвіду, очевидно, передувала оцінка запізнення світла і сама ідея досвіду була ним запропонована саме на основі очікування деякого конкретного значення запізнення. З тексту " Бесід" випливає, що Галілей сподівався виявити скінченність швидкості світла на відстані в 1-3 милі, в крайньому випадку - 8-10 миль. Очевидно, Галілей був упевнений, що швидкість світла перевищує швидкість звуку лише у декілька разів! Це якраз те значення, яке він міг витягнути з оцінки швидкості розряду блискавки. На те, що Галілей ототожнював електромагнітний розряд блискавки з поширенням світла, звернув увагу ще С.И. Вавилов. Маючи світло таку ж швидкість, її, дійсно, можна було б виміряти в досвіді з ліхтарями. Цікаво, що А. Ейнштейн і Л. Інфельд в книзі "Еволюція фізики", пояснюючи для читача цей досвід Галілея, в якості педагогічного прийому " зменшують" швидкість світла до 1 км/з - тільки при таких швидкостях досвід був би успішним на відстані 1 км. Пізніше Э. Мах назвав супутники Юпітера, затьмарення яких довели скінченність швидкості світла, "ліхтарем Галілея" . Інший напрям, який почав розвиватися починаючи з Де¬карта - спроби оцінки нижньої межі швидкості світла. Зусилля в цьому напрямі прикладали Р. Декарт, X. Гюйгенс, И. Ньютон і О. Ремер. Декарт в листі Бекману запропонував метод оцінки швидкості світла виходячи з місячних затемнень. Якби світло поширювалося досить повільно, то вдавалося б спостерігати одночасно Сонце і затемнений диск місяця. Оскільки таке явище не спостерігається, світло повинне витрачати на шлях від Землі до місяця і назад не більше 5 тис. ударів пульсу, тобто не більше години. Це служило аргументом для Декарта на користь миттєвості світла, що було наріжним каменем його переконань на світ. Сам метод Декарта пізніше використав X. Гюйгенс при оцінці швидкості світла в листі у відповідь О. Ремеру від 18 листопада 1677 р. (фрагмент цього листа переведений И.Н. Веселовським в книзі про X. Гюйгенсі ( Веселовський, 1959, с. 97-98)). Гюйгенс визначив, що запізнювання світла від місяця до Землі не може перевищувати 10 секунд. На початку свого доказу скінченності швидкості світла Ремер зробив оцінку верхньої межі запізнювання світла (тобто нижньої межі швидкості світла) іншим методом. Він показує, що світло проходить діаметр Землі швидше, ніж за 1 секунду, бо таке запізнювання давало б затримку в появі за 1 оберт близько 3,5 хв., "тоді як ніякої відчутної різниці не відзначається". Ремер розуміє, що "з цього не витікає, що світлу зовсім не потрібно час". Таким чином, з астрономічних явищ були отримані оцінки швидкості світла > 10-1 з, де з - сучасне значення швидкості світла.

Третій напрям, що підводив до скінченності швидкості світла, був пов'язаний з обґрунтуванням природи світла. Це обґрунтування велося у напрямі пошуку аналогів світла серед інших природних явищ - руху твердих тіл, руху повітря (звук), руху рідини. Оскільки усі природні явища - явища, що здійснюються з кінцевою швидкістю, - це було ще одним аргументом на користь скінченності швидкості світла. Невипадково тому прибічники двох абсолютно протилежних моделей світла - И. Ньютон і X. Гюйгенс, були прибічниками саме скінченності швидкості світла. Ньютон в " Началах" моделював світло рухом корпускул, а Гюйгенс в "Трактаті про світло" спирався на оптоакустичну аналогію, яка застосовувалася з давніх часів. Ще в античності її застосовував Арістотель при поясненні луни (він відмічав аналогічність відображення звуку (луна) і відображення світла). Г. Галілей використав аргумент аналогій в "Бесідах."., вклавши його у вуста Сагредо : чи "Повинні ми вважати його (світло) миттєвим або ж таким, що здійснюється в часі, як інші рухи? (виділено - К.Т.)".

Нарешті, ще одно напрям був пов'язаний з обґрунтуванням емпіричного закону заломлення. Виявилось, що обґрунтувати закон заломлення (закон синусів кутів), запропонований Р. Декартом і незалежно В. Снеліусом, можна легко, якщо користуватися гіпотезою зміни швидкості світла при проходженні поверхні розділу двох середовищ (Р. Декарт, П. Ферма, X. Гюйгенс, И. Ньютон). Доказ Р. Декарта, пов'язаний з тим, що рух світла відбувається легше в щільнішому середовищі, фактично припускав збільшення швидкості світла при переході з одного середовища в іншу (хоча формально він уникнув цього припущення, залишаючись прибічником миттєвості світла). У 1657 р. в листі де ля Шамбру, який був прибічником миттєвості світла, Ферма вказав, що "рух світла без всякої послідовності в часі може бути ос порений ", але обґрунтовував закон заломлення не через зміну швидкості, а через зміну " опору" середовища (Ферма, 1657). У 1662 р. П. Ферма в мемуарі "Синтез для рефракції" обґрунтував закон заломлення за допомогою постулату, що "природа діє найбільш легкими і доступними шляхами" (принцип найменшого часу) і його доказ вже прямо спиралося на зменшення швидкості світла в щільнішому середовищі (Ферма, 1662). У "Трактаті про світло" (1678, опубл. у 1690) X. Гюйгенс при поясненні закону заломлення відмічає, що відношення синусів кутів дорівнює відношенню швидкостей хвиль двох середовищ, а потім спрощує доказ Ферма на основі прямого використання зміни швидкості світла при перетині кордону двох середовищ. І. Ньютон дивовижним чином " обґрунтував" закон синусів в останньому параграфі першого тому "Математичних начал" на основі свого закону тяжіння. Виявилось, що в різних моделях світла - корпускулярній і хвилевій - світло відносно зміни швидкості поводилося по-різному. У хвилевій моделі світло зменшувало свою швидкість в оптично щільніших середовищах, а в корпускулярній - збільшував. Насправді ніякого протиріччя між цими двома моделями не було. Просто поняття швидкості в цих моделях були різні, але це було усвідомлено лише декілька століть опісля. На початку вересня 1676 р. на засіданні Паризької Академії наук Ремер виступив з повідомленням про спостереження затьмарень супутників Юпітера і передбачив, що затьмарення 9 листопада спостерігатиметься на 10 хв. пізніше, ніж це виходило б з розрахунку, ґрунтованого на спостереженнях у кінці серпня. Затьмарення 9 листопада 1676 р., як відзначається в подальших журнальних публікаціях, дійсно настає у вказаний Ремером момент часу. На засіданні 21 листопада 1676 р. Ремер виступає і висуває пояснення затримок і випереджень затьмарень запізнюванням світла, проте підтримки таке пояснення серед академіків не знаходить. . 7 грудня 1676 р. короткий виклад Ремера під назвою "Доказ, що стосується руху світла" публікується у французькому “Journal de Sçavans” (Rômer, 1676) і опісля півроку 25 червня 1677 р. в англійському перекладі в “Philosophical Transactions” (Roemer, 1677). Англійський текст ідентичний французькому оригіналу. Журнальне повідомлення є не самою доповіддю Ремера, а лише його стислий виклад, причому методика розрахунку запізнювання світла там опущена. Переклад російською мовою був опублікований в 1989 р. С.Р. Филоновичем (з цієї публікації з якихось причин випалу половина останнього абзацу, де обговорюються і відкидаються три можливі гравітаційні причини спостережуваних затримок і випереджень затьмарень). Судячи з тексту публікації, Ремер не використовує термін "швидкість світла". Замість цього він застосовує термін "запізнення світла" на деякому інтервалі (“retardement de la lumière” - у французькому оригіналі статті "retardment of Light" - в англійському перекладі, "de mora luminis" - в листах Ремера Гюйгенсу, написаних на латині). Походження цього терміну, очевидно, пов'язане з концепцією абсолютного часу і цілком закономірно в роботах кінця XVII ст. По суті, це поняття є зворотним по відношенню до поняття швидкості світла. X. Гюйгенс в "Трактаті про світло", навпаки, в основному застосовував термін "швидкість світла", а не " запізнювання" (по аналогії зі швидкістю звуку), що пов'язано, очевидно, із вживаною їм оптокустичної аналогією, на основі якої він будує теорію світла. Серед історико-наукових досліджень, цілком присвячених О. Ремеру, слід виділити книгу И.Б. Коена, написану до 300 - річчю ученого і присвячену звільненню його батьківщини - Данія від окупації (Cohen, 1944). У Франції до 300-річчя відкриття скінченності швидкості світла під редакцією Р. Татона вийшла збірка статей, присвячена цьому відкриттю. У роботах К. Мейєра, И.Б. Коена і у збірці "Ремер і швидкість світла" відтворюється факсиміле публікацій О. Ремера, а також факсиміле деяких чорнових розрахунків і звідний лист спостережень затьмарень супутника Юпітера Іо з 1668 р. по 1678 р., складений рукою Ремера. Принципово важливим моментом в правильній інтерпретації виявленої " нерівності" руху першого супутника Юпітера, стало відкриття кореляції цієї " нерівності" з рухом Землі від і до Юпітера, тобто його залежність від відносного руху Землі і Юпітера і незалежність від положення самого Юпітера. Цей ефект, помічений паризькими астрономами в 1670-х рр. і що став обґрунтуванням скінченності швидкості світла, є не що інше як своєрідний ефект Доплера. Насправді, супутник Іо, здійснюючи періодичне звернення навколо Юпітера, як би посилає періодичні сигнали, коли виходить або входить в тінь Юпітера. Коли Земля віддаляється від Юпітера, вимірювана на Землі частота цих сигналів (тобто частота оборотів Іо) зменшується, коли наближається - зростає. Тому спостережуваний період звернення Іо то збільшується, то зменшується відповідно до видалення або наближення Землі до Юпітера. Саме 100%% кореляція між запізнюванням або випередженням затьмарень і рухом від і до Юпітера і стала для Ремера основним аргументом на користь "запізнювання світла" (т. е. скінченності швидкості світла), що було виражено ним в таблиці, приведеній в листі X. Гюйгенсу від 30 вересня 1677 р. Спостереження одного обороту не виявляло помітних відмінностей. Одна¬до, "після ретельнішого вивчення речей він ( Ремер ) виявив, що непомітне для двох звернень стає дуже значним для багатьох узятих разом". 40 оборотів супутника Іо, спостережувані коли Земля наближається до Юпітера (відрізок FG), здаються, як відмітив Ремер, "помітно коротше" 40 оборотів, коли Земля віддаляється від Юпітера . Отже, робить висновок Ремер, світлу "потрібне 22 хвилини для проходження інтервалу, який є подвоєною відстанню від нас до Сонця" (Ремер, 1676, с. 120). Запізнювання світла складає, згідно Ремеру, 22 хвилини за діаметр земної орбіти D. Таким чином, Ремер отримав по суті зворотне значення швидкості світла і в сучасних позначеннях його результат можна представити у вигляді: с- 1 =22 хв/D. (Сучасне значення с- 1 =1001,6 c/D). Згідно з рядом авторів, "Ремер отримав" найрізноманітніші значення швидкості світла, причому виражені в сучасних практичних одиницях. Як справедливо відмітив С.Р.Філонович, приписуване Ремеру значення 214000 км/с є сучасною оцінкою. Теж саме можна сказати і про усі інші наведені вище значення швидкості світла. Насправді, значення швидкості світла, виражене в кілометрах в секунду, Ремер ніяк не міг визначити, тобто "метр" і похідна від нього величина " кілометр" були введені на століття пізніше. Що стосується німецької милі (7,44 км), яку використали Розенбергер, Кудрявцев і Конфедератів, то у Франції вона, як відомо, не застосовувалася. Серед наведених вище авторів лише двоє - А. Ван Хелден і 3. Копав, не приписували приведені ними значення Ремеру, і лише А. Ван Хелден обґрунтував методику своєї оцінки. Як бачимо, прагнення перевести результат Ремера в сучасні практичні одиниці призводить до неоднозначності його результату (різні значення швидкості світла, які відповідають, на думку авторів, результату Ремера, відрізняються в 2,5 разу - свого роду " дисперсія" наукових результатів, якщо скористатися науковою метафорою). Висловлювалася і зворотна думка, що Ремер не привів значення швидкості світла. При цьому мається на увазі, що Ремер не привів значення швидкості в практичній системі одиниць. Так, С.Р. Філонович пише: "Ремер був обережний. У першому повідомленні про своє відкриття він взагалі не привів конкретного значення швидкості світла. Ця обережність була цілком виправдана, оскільки у той час діаметр земної орбіти був визначений лише приблизно". Така ж точка зору проводиться автором і в примітках до перекладу роботи Ремера : "Причина, по якій Ремер вказує не саму швидкість світла, а час, за який світло проходить діаметр земної орбіти, полягає в тому, що в другій половині XVII ст. цей діаметр не був ще визначений з необхідний точність". Те, що Ремер не привів значення швидкості світла в практичній системі одиниць, зовсім не означає, що він не отримав значення швидкості світла. По суті Ремер привів зворотне значення швидкості світла в астрономічній системі одиниць, яка не лише анітрохи не гірше, ніж система практичних заходів, але для астрономії вона і досі є навіть доцільнішою і широко вживаною. Можна навіть сказати, що для небесної механіки - це найбільш природна система одиниць. Це, зокрема, виразив ще И. Кеплер, коли прямо проголосив радіус земної орбіти мірою усіх відстаней.

Інша причина, по якій Ремер не перевів свій результат в практичну систему одиниць, полягає швидше не в тому, що він не знав діаметру земної орбіти в практичних одиницях, а в тому, що він застосовує поняття "Запізнювання світла", а не "швидкість світла". Можливо, що він навіть і оцінив значення запізнювання в практичних одиницях, але це значення, як відомо, таке мале, що практично не сприймано: запізнювання світла на 1 льє (4445 м) усього лише 1/67400 секунд (1,48-Ю- 5 с). Значення ж запізнення 22 хвилини за діаметр земної орбіти зручно для сприйняття (числа від 1 до 100, як відомо, краще сприймаються, ніж інші). Для сприйняття великих і малих чисел лише з кінця XVIII ст. стали застосовуватися нормальна форма, а також кратні і долинні одиниці (кіло-, мікро- і т. д.). Таким чином, непредставлення Ремером результату в практичній системі одиниць пов'язане просто із зручністю роботи в астрономічній системі одиниць і незручністю практичної системи заходів. Невипадково, коли ми говоримо про запізнювання світла, ми і нині виражаємо відстані в астрономічних масштабах. Значення швидкості світла, виражене в загальноприйнятих практичних одиницях, зустрічається ймовірно уперше у відомому "Трактаті про світло" X. Гюйгенса, написаному в 1678 р.), тобто безпосередньо після досліджень Ремера. Обговорення роботи Ремера Гюйгенс помістив на самому початку свого трактату, що швидше за все невипадково. Швидше за все, Гюйгенс розглядає доказ скінченності швидкості світла як важливий емпіричний аргумент на користь оптоакустичної аналогії, на основі якої він будує теорію світла. По аналогії з кінцевою швидкістю звуку слід було чекати, що і швидкість світла кінцева. Очевидно це стало основним чинником визнання Гюйгенсом гіпотези кінцевої швидкості світла, як правдоподібної гіпотези. З тексту трактату ясно, що Гюйгенс прийшов до гіпотези скінченності швидкості світла незалежно і ще до роботи Ремера, яку він описує як підтвердження його власних переконань на світло : "Думка, якою я користувався колись як гіпотезою, отримала нещодавно завдяки дотепному доказу Ремера, очевидно, значення міцної істини" Описуючи дослідження Ремера, Гюйгенс цілком спирається на ремерівське значення запізнення світла 22 хв/с. Це свідчить про те, що він не був знайомий з деталями розрахунку Ремера, а тільки з самим результатом. Оскільки для Гюйгенса була важлива акустична аналогія, він переходить від ремерівського терміну "запізнювання світла" до терміну "швидкість світла", причому увесь ланцюжок перекладу значення швидкості світла з одних заходів в інші він веде до порівняння її із швидкістю звуку, яка виступає у нього природним масштабом швидкості. Робота Ремера ще за життя отримала повне визнання з боку двох найбільш визначних вчених XVII ст. X. Гюйгенса і І. Ньютона. Їй дається позитивна оцінка X. Гюйгенсом в "Трактаті про світло". І. Ньютон, хоча не згадує ім'я Ремера, вважає сам метод Ремера за правильне і підтверджує поступовість поширення світла, про це він прямо пише і в "Математичних началах натуральної філософії" і в " Оптиці". Також важливим є листування Ремера з Гюйгенсом в 1677-78 рр. (Гюйгенс, що повернувся на батьківщину в Голландію, прагнув дізнатися про подробиці дослідження Ремера, а Ремер хотів з'ясувати оцінку Гюйгенсом нижньої межі швидкості світла). У "Трактаті про світло" Гюйгенс на основі хвилевої моделі світла пояснив відображення, заломлення, повне відображення і подвійне променезаломлення в ісландському шпаті; наріжним каменем хвилевої моделі світла Гюйгенса була скінченність швидкості світла. Подвійне променезаломлення Гюйгенс пояснює на основі ідеї про існування двох сферичних хвилевих процесів, що поширюються з різними швидкостями. Такі основні обставини появи в XVII ст. швидкості світла як елементу фізичної картини світу. Проте тривалий час багато учених ще не визнавали скінченність швидкості світла і остаточно це представлення перемогло, як вважається, лише півстоліття опісля - після відкриття аберації англійським астрономом Дж. Брадлеем і її пояснення за допомогою припущення про скінченність швидкості світла. На основі виміру аберації світла від 7 Дракона Брадлей визначив, що швидкість світла перевищує швидкість руху Землі по орбіті в 10210 разів і світло витрачає 8 хв. 12 с., щоб пройти відстань від Сонця до Землі (остаточний результат, що враховує аберацію від різних зірок 8 хв. 13 с). Існуючі до цього часу оцінки часу поширення світла на цій відстані: 11 хв. (Ремер), 7 хв. (Флемстид). Таким чином, Брадлею вдалося істотно поліпшити значення "Запізнювання світла" : його значення відрізнялося від реального. Відкриття і пояснення аберації було незалежним підтвердженням скінченності швидкості світла, оскільки у рамках класичної фізики ефект Доплера і аберація є незалежними явищами. Лише із створенням спеціальної теорії відносності виявилось, що і ефект Доплера (який спостерігався Ремером) і аберація є насправді наслідком збереження 4-х хвилевого вектору при переході в систему відліку (див. схему), що рухається. Правильні формули для ефекту Доплера і аберації були виведені Ейнштейном в статті 1905 р. (відмінність від приведених на схемі формул полягає лише в тому, що Ейнштейн розглядав ефект Доплера в результаті руху спостерігача від нескінченно видаленого джерела, зараз зазвичай розглядається ефект Доплера від джерела, що рухається. Ейнштейн вивів формулу поперечного ефекту Доплера і запропонував експериментаторам її перевірити (Ейнштейн, 1907р.). Проте цей чисто релятивістський ефект був підтверджений тільки в 1938 р. Те, що явище періодичного коливання періодів супутників Юпітера є ефектом Доплера, відмітив першим, мабуть, Э. Мах. Ефект Доплера - залежності частоти сигналу від руху спостерігача і джерела - був теоретично обґрунтований Доплером в 1842 р. стосовно спостереження подвійних зірок, а потім підтверджений і для звукових хвиль і для світла. У 1842 р. цей же ефект було відкрито І. Фізо. У лекції "Про швидкість світла" в Граці в 1866 р. Э. Мах, розповідаючи про відкриття Ремера і приводячи пояснення, по суті показав, що це є ефект Доплера, хоча формально ім'я Доплера в лекції він і не назвав. Э. Мах бачить також щось аналогічне в методі Ремера і методі Галілея визначення швидкості світла : "Цей метод схожий з методом Галілея. Тут тільки краще вибрані засоби. Замість тієї невеликої відстані ми тут користуємося діаметром земної орбіти (41 мільйонів миль); роль ліхтаря, який то закривається, то відкривається, грає супутник Юпітера, який то затьмарюється, то знову показується. Таким чином Галілею не вдалося виконати свого виміру, але ліхтар, за допомогою якого воно було виконане, відкритий ним". Мах неодноразово повторює цю метафору - порівняння затьмарень супутника Ио і ліхтаря Галілея. У " Оптику" (1913 р.) Мах, розповідаючи про явище, яке спостерігав Ремер, вже прямо зв'язує його з ім'ям Доплера . Услід за Махом також розглядав спостережувані особливості руху супутників Юпітера, як ефект Доплера, А. Зоммерфельд " Оптиці"

Швидкість світла у хвильовій і корпускулярній теоріях світла.

Починаючи з XVII ст. у фізиці конкурували дві різні моделі світла - корпускулярна і хвилева. Швидкість світлових корпускул могла бути довільною, окрім цього корпускулярна модель передбачала збільшення швидкості в щільнішому середовищі. Хвилева модель, навпаки, передбачала постійну швидкість поширення світла в ефірі - середовищі, що має специфічні властивості, а також зменшення швидкості світла в щільнішому середовищі пропорційно коефіцієнту заломлення. Зазвичай корпускулярні переконання зв'язуються з ім'ям І.Ньютона, а хвилеві - X.Гюйгенса. Насправді, концепція Ньютона поєднувала корпускулярні і хвилеві представлення. Ньютон навіть оцінив механічні параметри світлоносного ефіру - його щільність і пружність : ґрунтуючись на оцінці, що швидкість світла перевищує швидкість звуку в 700000 разів, Ньютон припустив, що ефір є в 700000 разів більше пружним, ніж повітря і в 700000 разів більше розрідженим 0. Проте в XVIII ст. володарювали корпускулярні переконання на природу світла, ньютоніанці вважали за краще не помічати хвилевих гіпотез Ньютона, а серед прибічників хвилевої моделі були лише Л. Ейлер і М.В. Ломоносов. Ньютонівські хвилеві гіпотези стали важливими направляючими ідеями для формування хвилевих принципів оптики Т. Юнга; відомо, що Юнг був також знаком і з роботами Ломоносова. На рубежі XVIII - XIX вв. з'явилися нові аргументи на користь хвилевої теорії світла. Цілий ряд програмних ідей і принципів були запропоновані англійським дослідником природи Т. Юнгом, а доведений до конкретних фізичних формул французьким оптиком О. Френелем. У науковій праці, опублікованій в 1800 р., Т. Юнг відмітив, що корпускулярна теорія світла стикається з проблемою пояснення однакової швидкості світла від джерел різної потужності - від іскр до Сонця. Хвилева ж теорія автоматично пояснює це, оскільки швидкість поширення обурень в пружній рідині однакова. Далі Юнг припустив еквівалентність електричного і світлового ефіру : "Швидка передача електричного удару показує, що електричне середовище має пружність настільки велику, що можна припустити, що вона поширює світло. Чи слід вважати, що електричний ефір - це те ж саме, що і світловий ефір, якщо така рідина існує, можливо, коли-небудь відкриють експериментально. Фактично ця ідея Юнга стала однією з керівних ідей для розвитку теорії електромагнетизму. У 1804 р. Юнгу вдалося пояснити аберацію на основі хвилевої моделі. Подальший розвиток хвилевої теорії пов'язаний з ім'ям О. Френеля. У 1810 р. Ф. Араго поставив досвід на основі інтерференційної методики по виявленню впливу руху Землі на показник заломлення призми і отримав негативний результат. У листі Ф. Араго в 1818 р. Френель висловив свої уявлення про ефір (опубліковано у вересні 1818 р.). З аналізу пояснення аберації у рамках хвилевої моделі Френель оцінив верхню межу для захоплення ефіру : менше 1/100 від швидкості Землі (ця ж оцінка фігурує і в листі Френеля своєму братові). Потім, використовуючи ідею Юнга про збільшення щільності ефіру пропорційно щільності тіл без впливу на пружні властивості ефіру, Френель вивів свою відому формулу часткового збільшення ефіру. У 1846 р. Г. Стоксом була висловлена ідея повного захоплення ефіру тілами, що рухалися. Модель Стоксу була внутрішньо суперечливою, за що її піддавав критику Г. Лоренц, що запропонував власну модель ефіру. Формула Френеля була успішно підтверджена в 1851 р. в експериментах И. Фізо по вивченню поширення світлових променів у воді, що рухалася. Вимір зміщення інтерференційних смуг підтвердив формулу Френеля з точністю до 14%%, причому відхилення було пов'язане, як показав Фізо, з відмінністю середньої швидкості води і швидкості води в центрі трубок, уздовж яких якраз і розповсюджувалися світлові промені. Фізо також поставив свій досвід для повітря, що рухалося, і "знайшов, що рух повітря не викликає ніякого помітного зміщення смуг", що відкидає гіпотезу захоплюваного ефіру і свідчить на користь його нерухомості, але також і не суперечить гіпотезі Френеля (із-за показника заломлення повітря близького 1) . "Мені здається, - зробив висновок Фізо, - що успіх цього досвіду повинен привести до прийняття гіпотези Френеля або принаймні закону, який був ним знайдений для вираження зміни швидкості світла внаслідок руху тіл" . Формула Френеля отримала правильне обґрунтування тільки в 1907 р. в роботі М. Лауе у рамках спеціальної теорії відносності як приблизна формула для першого порядку по V/c, що виходить з релятивістської формули складання швидкостей .

Таким чином, перехід від корпускулярної моделі світла, якій в принципі не було потрібне середовище поширення, до хвилевої моделі привів до формування уявлень про ефір як специфічне середовище поширення електричних, магнітних і світлових коливань. Подальший розвиток "фізики ефіру" привів до постановок наземних інтерференційних дослідів Майкельсона (1881 р.) і Майкельсона-Морлі (1887 р.) по виявленню абсолютного руху Землі відносно ефіру. Очікувалося підтвердження теорії Френеля. Негативний результат змусив Майкельсона висловитися проти теорії часткового захоплення ефіру Френеля на користь теорії повного захоплення Стоксу. Таким чином, у фізиці настала криза, пов'язана з протиріччям в поясненні явищ аберації (на основі не захоплення Землею ефіру), досвіду Физо (на основі гіпотези часткового захоплення ефіру) і досвіду Майкельсона (на основі повного захоплення Землею ефіру), вихід з якого був знайдений не в деякій специфічній моделі ефіру, а в перегляді просторово-часових представлень.

У 1850 р. Л. Фуко показав на досвіді, що швидкість світла у воді зменшується пропорційно показнику заломлення : u = с/n відповідно до пророцтва хвилевої теорії. Цей досвід став розглядатися як "вирішальний досвід" на користь хвилевої теорії світла. Насправді, як згодом виявилось, поняття швидкості в хвильовій і корпускулярній теоріях світла різні. Відповідність між ними встановлюється таким чином: u = с2/v. Таким чином, досвід Фуко зовсім не свідчив проти корпускулярної теорії, як тоді вважалося. Проте " перемога" хвильових представлень дала імпульс для створення Максвелом хвильової електромагнітної теорії світла.

Евристичне значення збігу констант.

В середині XIX ст. французьким ученим И.Фізо і Л.Фуко уперше вдалося поставити досліди за визначенням швидкості світла в земних умовах за допомогою методів зубчастого колеса і дзеркала, що оберталося, що здійснювали періодичне переривання світлового сигналу. Зазвичай як результат досвіду Фізо (1849) наводиться значення 313-315 тис. км/с Наприклад, Би П.Вейнберг вважає, що результат Фізо відповідає 315324 тис. км/с або з урахуванням різних поправок 315282 км/с, С. Філонович - 314858 тис км/с, а М. Льоцці приводить інше значення швидкості світла з не обґрунтовано великою точністю: 313274304 м/с. Насправді, Фізо не привів значення швидкості світла і усі ці значення є розрахунковими. Значення 313274 км/с виходить (це відмічав, наприклад, Б.П. Вейнберг), якщо скористатися даними самого Фізо : відстань l= 8633 м, число зубців n = 720 і спостереження першого максимуму приблизно при v = 12,6 оборотів в секунду (c = 4n l v = 313274304 м/с = 313 тис. км/с).

Надалі метод Фізо був вдосконалений Корно, який в 1873 р. отримав на основі 675 спостережень значення швидкості світла 298,4-298,5 тис. км/с. Вейнберг, аналізуючи дані Корно, отримує 298453 км/с, вводячи поправки, - 298581 км/с, а за даними дослідів Корно 1874 р. - 300010 км/с. В 1900 р. Перротен також в дослідах із зубчастим колесом, що обертається, отримав 299900 км/с, а за даними дослідів 1902 р. - 299860 км/с. У 1862 р. Л. Фуко вдалося точніше визначити швидкість світла за допомогою методу дзеркал (ідея досвіду належала Ф. Араго (1838)), що оберталися, -. 298 тис. км/с (298374 км/с з поправкою Вейнберга). У 1878 р. і в 1879 р. А.Майкельсон на основі вдосконаленого методу Фуко отримав відповідно до 300140 км/з і 299910 км/с (299836 км/з по Вейнбергу). Цей же метод використав в 1880-81 рр. С. Ньюкомб (опубл. у 1891 р.) і отримав значення 299860 км/с (299753 км/с по Вейнбергу), а в 1891 р. А. Майкельсон - 299853 км/с. Збіг фізичних констант, характерних для різних фізичних явищ, показує зв'язок цих явищ, і, отже, напрям шляху, що веде до створення теорії, що описує ці явища на єдиній основі. В середині XIX століття такого роду збіг фізичних констант, що мають розмірність швидкості, стало важливим елементом в конструюванні єдиної теорії електрики, магнетизму і оптики.

В середині XIX ст. з'явилося декілька теорій, побудованих на основі миттєвої передачі дії, в яких звичайна сила Кулона модернізувалася шляхом введення додаткових доданків, пропорційних квадрату швидкості і прискоренню - теорії В. Вебера, Р. Клаузіуса, К. Неймана та ін. '). В якості коефіцієнтів при других доданках в цих теоріях фігурували константи, що мають розмірність квадрата швидкості.

У 1856 р. В. Вебер і Р. Кольрауш поставили досвід з метою зіставлення електромагнітних і механічних одиниць шляхом виміру механічної дії електрики. Їм вдалося визначити співвідношення між цими одиницями. "Найбільш важливим із застосувань, які може знайти собі приведення звичайних заходів сили струму до механічної міри, являється визначення константи, що входить в основний закон електрики, якою охоплюються одночасно електростатика, електродинаміка і індукція". - відмітили автори . Таким чином, в якості побічного результату вони змогли визначити коефіцієнт розмірності швидкості у законі Вебера : с = 439450 – 106мм/с= 593320 миль/с. Константа Вебера була більше швидкості світла в раз. Тому з досвіду Вебера- Кольрауша виходило значення швидкості світла 310740 км/с.

У 1858 р. Б. Риман представив Геттингенському науковому товариству мемуар "Тяжкість, електрика і магнетизм", в якому вивів узагальнене хвилеве рівняння для світла, теплового випромінювання, електрики і магнетизму. У цьому рівнянні фігурувала константа а, що має фізичний сенс швидкості поширення потенціалу.

Сам Риман зв'язав її з константою Вебера через співвідношення: α2=сω22. Враховуючи, що веберівська константа була сω=с2, постійна Римана повинна була прямо дорівнювати швидкості світла. Дійсно, відповідність виявилася хорошою: з даних досвіду Вебера і Кольрауша Риман отримав значення своєю постійною: 41949 геогр. миль/сек і зіставив його зі значенням швидкості світла, отриманим із спостережень аберації Брадлеем і Бушем (41994 геогр. миль/сек) і прямих спостережень Фізо (41882 геогр. миль/сек) (см: Риман, 1948). Проте ця робота Римана була опублікована вже після його смерті і була невідома Максвеллу, принаймні на момент створення їм електромагнітній теорії. У 1857 р. Г. Кірхгоф першим помітив збіг констант, характерних для електрики і оптики. Для Максвелла це стало найважливішим аргументом електромагнітної природи світла. Так, в листі Фарадею 19 жовтня 1861 р. Максвелл писав:

"З певного Кольраушем і Вебером чисельного відношення між статичною і магнітною дією електрики я визначив пружність середовища в повітрі і, вважаючи, що вона тотожна з пружністю світлового ефіру, визначив швидкість поширення поперечних коливань. Результат - 193088 миль в секунду. Фізо визначив швидкість світла в 193118 миль в секунду прямим досвідом" '). Це зіставлення Максвелл опублікував в роботі "Про фізичні силові лінії" (1861- 1862 рр.). Максвелл визначає швидкість поширення поперечних коливань через пружне середовище і, використовуючи результат Вебера і Кольрауша, отримує V = 310740000000 мм/сек = 193088 англ., миль в сек. Швидкість світла в повітрі за визначенням Фізо дорівнює 70843 лігам в сек = = 314858000000 мм/сек = 195647 англ., миль/сек. По іншому джерелу, на яке посилається Максвелл (керівництво по астрономії Гелбрейта і Хоутона), значення Фізо відповідає 169944 геогр. милям/сек = 193118 англ., миль/сек, що виявляється ще ближче до значення Вебера і Кольрауша. "Швидкість поперечних коливань в нашому гіпотетичному середовищі, вичислена з електромагнітних дослідів Кольрауша і Вебера, так точно співпадає із швидкістю світла, вичисленою з оптичних дослідів Фізо, що ми навряд чи можемо відмовитися від виведення, що світло складається з поперечних коливань того ж самого середовища, яке є причиною електричного і магнітного явища", зробив висновок Максвелл. Другим важливим аргументом на користь електромагнітної природи світла стало виведене Максвеллом співвідношення між оптичними і електромагнітними константами. У тій же роботі "Про фізичні силові лінії" услід за зіставленням швидкостей, Максвелл виводить співвідношення між діелектричною постійною, магнітною проникністю і показником заломлення середовища : D=i2μ - (у сучасних позначеннях: ε=n2μ). Ці два співвідношення між константами різних явищ стали для Максвелла двома опорними точками в побудові їм теорії електромагнетизму, а для фізиків-експериментаторів - метою дослідів по перевірці максвелівської теорії.

У роботі "Динамічна теорія поля" (1864), в якій Максвелл уперше сформулював повну систему 20 рівнянь для електромагнітного поля (він записував окреме рівняння для кожної компоненти векторів), в якості слідства він вивів формулу, що зв'язує швидкість світла і коефіцієнт в законі Кулона до: V=±k4πμ. У прийнятій Максвеллом системі одиниць k=4πv , де v - перевідний коефіцієнт між електромагнітними і електростатичними одиницями, отже, за максвелівською теорії V = v. Згідно з вимірами Вебера і Кольрауша, постійна V була рівна: V = 310740000 м/с, а значення швидкості світла - V = 314858000 (з досвіду Фізо), V = 298000000 (з досвіду Фуко), V = 308000000 (з коефіцієнта аберації і радіусу земної орбіти). Привівши ці дані, Максвелл робить наступний висновок: "Отже, швидкість світла, визначена експериментально, досить добре співпадає з величиной V, виведеною з єдиного ряду експериментів, якими ми досі розташовуємо. Значення ϑ було визначене шляхом виміру електрорушійної сили, за допомогою якої заряджається конденсатор відомої місткості, розряджаючи конденсатор через гальванометр, щоб виміряти кількість електрики в ньому в електромагнітних одиницях. Єдиним застосуванням світла в цих дослідах було використання його для того, щоб бачити інструменти. Значення V, знайдене Фуко, було отримане шляхом визначення кута, на який обертається дзеркало, що обертається, доки відбите ним світло пройшло туди і назад уздовж виміряного шляху. При цьому не користувалися яким-небудь чином електрикою і магнетизмом. Збіг результатів, мабуть, показує, що світло і магнетизм є проявами властивостей однієї і тієї ж субстанції і що світло є електромагнітним обуренням, що поширюється через поле відповідно до законів електромагнетизму". Далі "Відношення між показником заломлення і електромагнітною природою матерії" Максвелл виводить співвідношення D=i2μ ("питома індуктивна місткість середовища дорівнює квадрату її показника заломлення, що ділиться на коефіцієнт магнітної індукції"). У подальші декілька років ряд учених, у тому числі сам Максвелл, В. Томсон та ін., розробляють способи визначення співвідношення між електромагнітними і електростатичними одиницями. Також в цей період ставляться різні досліди, з яких також можна витягнути це співвідношення. Зведення шести різних способів визначення цієї постійної Максвел привів в другому томі "Трактата по електриці і магнетизму", опублікованому їм в 1873 р. Отримане самим Максвеллом в 1868 р. значення - 288000000 м/с. Рік потому В. Томсон отримав значення 282000000 м/с. У п. 787 Максвелл привів таблицю, в якій зіставив значення швидкості світла і стосунків електричних величин :

Швидкість світла (у метрах за секунду)

Відношення електричних одиниць (

у метрах за секунду)

Фізо 314000000

Вебер 310740000

Аберація, паралакс Сонця 308000000

Максвел 282000000

Фуко 29836000

Томпсон 282000000

Максвелл зробив обережний висновок: "Очевидно, що швидкість і відношення одиниць є величинами одного і того ж порядку. Ні про одну з них не можна сказати, що вона досі визначена з такою мірою точності, яка дозволила б нам стверджувати, що одна величина більше або менше іншої. Слід сподіватися, що в результаті подальших дослідів відношення між розмірами цих двох величин буде встановлено точно Наша теорія, що стверджує, що ці дві величини рівні, і що висуває фізичні підстави цієї рівності, безумовно не спростовується порівнянням наявних результатів". В результаті робіт, з одного боку, А.Г. Столетова, Хімстедта, В. Томсона, Э.Б. Троянда, Дж.Дж. Томсона і Дж. Сирла та ін. за визначенням електричних одиниць, і, з іншого боку, робіт М.А. Корно, А. Майкельсона, С. Ньюкомба відмінність між цими постійними перейшла до кінця 1880-х рр. лише в четвертий знак, що свідчило на користь максвелівської теорії і зміцнювало позиції універсальності швидкості світла. У наступних параграфах Максвелл обговорює співвідношення між електромагнітними і оптичними константами. Він відмічає, що для прозорих тіл магнітна проникність близька до одиниці, тому співвідношення між показником заломлення і діелектричною і магнітною проникністю D=i2μ зводиться до співвідношення D=i2 , тобто діелектрична постійна середовища дорівнює квадрату її показника заломлення. До моменту написання " Трактату" була лише одно речовина, для якої були відомі і показник заломлення і діелектрична постійна, - парафін. Максвелл посилається на експерименти Гібсона і Барклая, згідно з вимірами яких діелектрична постійна парафіну була рівна K = 1,975. Квадратний корінь з неї дорівнює 1,405, а показник заломлення для хвиль нескінченної довжини Максвелл виводить з даних Глэдстоуна : 1,422. "Різниця між цими числами більша, ніж її можна було б віднести за рахунок помилок спостереження; - робить висновок Максвелл, - вона показує, що наші теорії структури тіл мають бути значно поліпшені, перш ніж ми зможемо виводити оптичні властивості тіл з їх електричних властивостей. У той же самий час я думаю, що збіг чисел такий, що якщо не буде знайдено великих розбіжностей між числами, виведеними з оптичних і електричних властивостей значної кількості речовин, ми могли б обгрунтовано зробити висновок, що квадратний корінь з K, хоча він, можливо, і не є повним вираженням показника заломлення, щонайменше є найбільш важливим членом у він" Серед вітчизняних учених обидва співвідношення експериментально досліджував А.Г. Столетов; у 1880 р. для відношення електричних величин він отримав значення 299000 м/с. Співвідношення між показником заломлення і електромагнітними константами речовин перевірялося Л. Больцманом (1872), А.Г. Столетовым, Н.И. Шіллером (1874), П.А. Зиловым (1875) та ін.

Таким чином, збіг констант, отриманих в результаті експериментального вивчення явищ різної (як спочатку вважалося) природи, мав евристичне значення для створення електромагнітної теорії світла. Збіг констант має загальне значення; у цьому проявляється єдність фізики. Надалі евристичне значення мало відкриття одній і тій же постійною Н в теорії теплового випромінювання, в законі фотоефекту, в теорії атома Бору та ін.

Ейнштейн і принцип постійності швидкості світла.

З проблемами, пов'язаними з виявленням ефіру, А.Эйнштейн познайомився коли прочитав книгу Г.А. Лоренца. Принаймні до 1901 р. А. Ейнштейн вірив в існування ефіру і придумував різні досліди для його виявлення. У початковий період навчання в Цюріхському Політехнікумі Ейнштейн активно цікавився експериментальною фізикою і часто працював у фізичній лабораторії. Проте досліди по виявленню ефіру йому провести не вдалося, спочатку через відсутність дозволу на ці досліди від свого наукового керівника Г.Ф. Вебера, потім із-за зміщення його інтересів від експериментальної до теоретичної фізики. Основні положення, що лягли в основу спеціальної теорії відносності, сформувалися, як згадував Ейнштейн, приблизно за 5-6 тижнів до закінчення роботи над статтею "До електродинаміки тіл", що рухаються. Цьому передував рік роздумів над протиріччям електродинаміки і механіки в законі складання швидкостей, причому Ейнштейн спочатку намагався піти саме шляхом динамічної інтерпретації, Лоренцем, що розвивається. Про цей період А. Ейнштейн коротко розповів в лекції в Кіото в грудні 1922 р. незабаром після отримання звістки про присудження йому Нобелівській премії по фізиці: "У той час я був упевнений в справедливості рівнянь електродинаміки Максвелла-Лоренца. Більше того, з них витікали співвідношення так званої інваріантності швидкості світла, внаслідок чого ці рівняння мають бути справедливими і для систем відліку, що рухаються. Проте інваріантність швидкості світла суперечила відомому з механіки правилу складання швидкостей. Намагаючись вирішити це протиріччя, я зіткнувся з величезними труднощами. Я витратив даремно майже рік, намагаючись дещо видозмінити ідеї Лоренца, і дійшов висновку, що загадка зовсім не проста". Далі Ейнштейн розповідає, в який момент у нього народилася ідея саме кінематичної інтерпретації".У один воістину прекрасний день" у кінці травня 1905 р. Ейнштейн прийшов до свого друга М.Бессо і став обговорювати з ним ці проблеми. Саме в ході обговорення Ейнштейн знайшов рішення цієї задачі : "Ми з ним розглядали її з усіх боків, поки я не зрозумів в чому справу. Наступного дня я знову прийшов до нього і, не вітаючись, сказав: "Спасибі! Я, нарешті, вирішив це завдання". Рішення полягало в перегляді поняття часу, тобто виявилось, що час не може визначатися абсолютно - є нерозривний зв'язок між часом і швидкістю поширення сигналів. На основі такого представлення можна здолати усі величезні труднощі. Через п'ять тижнів з тієї миті, як я це усвідомив, спеціальна теорія відносності була готова". У своїй статті, що поступила в "Annalen der Physik" 30 червня 1905 р., А. Ейнштейн не зробив жодного посилання на роботи попередників, але виразив вдячність М. Бессо як "вірному помічникові при розробці викладених тут проблем", якому автор "зобов'язаний за ряд цінних вказівок". Таким чином, дискусія з М. Бессо можливо допомогла Ейнштейнові усвідомити відносність одночасності і придти до поняття часу як локального часу, який фігурував в роботах попередників лише як допоміжна величина. Однією з найбільш важливих історико-наукових проблем, пов'язаних із створенням СТВ, є з'ясування впливу робіт попередників - передусім, Г.А. Лоренца і А. Пумнкаре. Поза сумнівом, що на створення СТВ Ейнштейном вплинула критика А.Пуанкаре поняття абсолютної одночасності, висловлена їм, зокрема, в книзі "Наука і гіпотеза" (1902). Також сам термін "принцип відносності" був, очевидно, сприйнятий Ейнштейном саме від Пуанкаре. Вважається, що Ейнштейн не був знайомий з доповіддю А. Пумнкаре на конгресі у вересні 1904 р. в Сент-Луісі, в якому Пуанкаре висловив найважливішу ідею про швидкість світла як верхню межу швидкостей і необхідності перегляду у зв'язку з цим механіки. Проте відносно цього можна висловити припущення, що ця доповідь могла знати М. Бессо, через якого деякі ідеї Пуанкаре могли вплинути і на Ейнштейна. Засаднича стаття Ейнштейна "До електродинаміки тіл" (предст. 30 червня 1905 р.), що рухаються, розпочинається з ввідних зауважень, в яких автор висловлює "припущення, що для усіх координатних систем, для яких справедливі рівняння механіки, мають місце ті ж самі електродинамічні і оптичні закони, як це вже доведено для величин першого порядку", тобто на сучасній мові - в усіх інерціальних системах відліку рівняння механіки і електродинаміки не міняються. Далі Ейнштейн перетворює це припущення на постулат і вводить ще один постулат про універсальність швидкості світла у вакуумі: "Ми маємо намір це припущення (зміст якого надалі називатимемо принципом відносності) перетворити на передумову і зробити, крім того, додаткове допущення, що знаходиться з першим лише в уявному протиріччі, а саме: що світло в порожнечі завжди поширюється з певною швидкістю V, не залежною від стан рух випромінюючий тіло. Ці дві передумови достатні для того, щоб, поклавши в основу теорію Максвелла для тіл, що покояться, побудувати просту, вільну від протиріч електродинаміку що рухаються тел. Тоді введення "світлоносного ефіру" виявиться зайвим, оскільки в пропонованій теорії не вводиться простір", що "абсолютно покоїться, наділений особливими властивостями, а також жодній точці порожнього простору, в яка протікає електромагнітний процес, не приписується який-небудь вектор швидкість". Стаття Ейнштейна складалася з двох частин - кінематичної і електродинамічної, кожна з яких включала п'ять параграфів. У першому параграфі Ейнштейн визначає "час винятково для того місця, в якому годинник якраз знаходиться", тобто встановлює поняття місцевого часу, а потім дає операціональне визначення поняття одночасності - через синхронізацію годинника за допомогою світлового сигналу. Найважливішим пунктом такого визначення є універсальність швидкості світла у вакуумі. "Згідно з досвідом, – пише Ейнштейн, – ми вважаємо також, що величина 2ABtA+tA=V є універсальна константа (швидкість світла в порожнечі). У другому параграфі А. Ейнштейн дає чіткіше визначення "принципу відносності і принципу постійності швидкості світла" : "1) Закони, по яких змінюються стани фізичних систем, не залежать від того, до якої з двох координатних систем, що знаходяться один відносно одного в рівномірній поступальній ході, ці зміни стану відносяться. 2) Кожен промінь світла рухається в системі координат, що покоїться, з певною швидкістю V незалежно від того, чи випускається цей промінь світла тілом, що покоїться або рухається. При цьому швидкість = шлях променя світла/проміжок часу, причому "проміжок часу" слід розуміти в сенсі визначення в § 1". Спираючись на ці принципи, Ейнштейн показує помилковість уявлень про абсолютне значення поняття одночасності : "Дві події, одночасні при спостереженні з однієї координатної системи, не сприймаються більше як одночасні при розгляді з системи, відносно цієї системи", що рухається.

У третьому параграфі Ейнштейн виводить релятивістські перетворення руху і відмічає, що вони утворюють групу. У четвертому параграфі Ейнштейн аналізує фізичний сенс перетворень рухи для твердих тіл, що рухаються, і годинника і виводить формулу подовжнього скорочення тіл (скорочення Лоренца-Фицджеральда). П'ятий параграф присвячений виведенню і аналізу релятивістської формули складання швидкостей.

Далі Ейнштейн переходить до електродинамічної частини. У шостому параграфі Ейнштейн показує інваріантність рівнянь Максвелла (у його термінології - рівнянь Максвелла-Герца) відносно перетворень руху, виведених їм в третьому параграфі. Сьомий параграф присвячений виведенню релятивістських формул аберації і ефекту Доплера. Важливість цього виведення полягала в тому, що в класичній фізиці ці два кінематичні ефекти ніяк не пов'язані. Теорія відносності зв'язала їх - вони стали інтерпретуватися як наслідок зміни 4-х хвилевого вектору при перетворенні руху, т. е. як дві сторони одного і того ж явища. У восьмому параграфі Ейнштейн виводить перетворення енергії променів світла при перетворенні руху. У дев'ятому параграфі Ейнштейн розглядає перетворення рівнянь Максвелла з урахуванням існування конвекційних струмів і показує, що рівняння руху заряджених часток (електронів) залишаються інваріантними при перетворенні руху, т. е. підкоряються принципу відносності (при цьому він використовує отриману в п'ятому параграфі формулу складання швидкостей). Як наслідок він також отримує, що заряд залишається інваріантним в інерціальних системах. У останньому, десятому параграфі Ейнштейн розглядає динаміку повільно прискореного електрона і, зберігаючи рівняння класичної механіки F=mω виводить формули " подовжньою" і " поперечною" мас, що дещо відрізняються від знайдених раніше Г.А. Лоренцем Як бачимо, у Ейнштейна ще зберігалися динамічні " ліси", які надалі повністю зникли. Ейнштейн також отримує правильну релятивістську формулу для кінетичної енергії електрона. У укладенні Ейнштейн приводить три що піддаються досвідченій перевірці властивості руху електрона в електромагнітному полі.

А Ейнштейн у своїй статті не показує, що формули його релятивістської кінематики (наприклад, формула складання швидкостей, формула ефекту Доплера, формула кінетичної енергії електрона та ін.) переходять у формули класичної механіки при швидкостях багато менших швидкості світла c. Тобто він не перевіряє виконання принципу відповідності (який був сформульований пізніше, але передбачений Больцманом і Пуанкаре). Також він не вказує на існування нових чисто релятивістських ефектів, що піддаються досвідченій перевірці (наприклад, поперечного ефекту Доплера; це він зробив тільки через два роки в статті.

У наступній статті чи "Залежить інерція тіла від енергії", що міститься в ній, поступила в "Annalen der Physik" 27 вересня 1905 р. Ейнштейн так формулює принцип відносності : "Закони, по яких змінюються стани фізичних систем, не залежать від того, до якою з двох координатних систем, що знаходяться в рівномірному паралельно-поступальному русі один відносно одного, віднесені ці зміни стану (принцип відносності) ". Далі Ейнштейн вказує на результати, які отримав в попередній статті на основі цього принципу, відмічаючи у виносці, що "застосований там принцип постійності швидкості світла міститься, звичайно, в рівняннях Максвелла".

Г.А. Лоренц, прекрасно розуміючи математичний апарат спеціальної теорії відносності, проте не зміг прийняти кінематичну інтерпретацію Ейнштейна. У лекції 1913 р. в Гарлеме Г.А. Лоренц прямо висловився проти основних представлень СТВ – передусім, поняття відносності одночасності. Лоренц підкреслив, що він є прибічником "старої концепції, відповідності з якою ефір має хоч би мінімальну матеріальність, між простором і часом можна провести чітку межу, а про одночасність можна говорити без додаткових уточнень". Далі Лоренц привів аргументи на користь існування швидкостей, великих швидкості світла у вакуумі : "На підтвердження останньої тези можна нагадати про властиву нам здатність уявляти собі довільно великі швидкості. При цьому ми максимально наближаємося до концепції абсолютної одночасності. Нарешті, сміливе припущення про неможливість спостерігати швидкості, великі швидкості світла, містить гіпотетичне обмеження, що накладається на нашу здатність до сприйняття, яке не може бути прийняте беззастережно". Таким чином, Лоренц висунув чисто психологічну аргументацію людської здатності представляти будь-які скільки завгодно великі швидкості. Надалі ця аргументація неодноразово висувалася проти СТВ. У 1949 р. В.А. Фок провів аналогію між такого роду аргументацією і прагненням створити вічний двигун. Якщо такий авторитетний учений як Лоренц не зміг знайти аргументацію, окрім чисто психологічної, це вже саме по собі показувало нездатність інтерпретації спостережуваних явищ на основі класичної картини світу. Слід зазначити, що будь-яке твердження про "скільки завгодно великі швидкості" не має фізичного сенсу до тих пір, поки не встановлений масштаб виміру швидкості. Класична фізика не вводила ніяких абсолютних масштабів. Сенс СТВ полягає в тому, що саме ця теорія уперше встановила абсолютний масштаб, масштаб виміру швидкості - швидкість світла у вакуумі. Тільки порівняно з цим масштабом ми можемо говорити про " малі" або " великі" швидкості.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Скачать

Магистерская.docx

Магистерская.docx
Размер: 77.7 Кб

Бесплатно Скачать

Пожаловаться на материал

Від абсолютної до відносної одночасності. Відкриття скінченності швидкості світла. Швидкість світла у хвильовій і корпускулярній теоріях світла. Евристичне значення збігу констант. Ейнштейн і принцип постійності швидкості світла.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Сочинения по литературе 10 класс, второе полугодие.

Адміністративна відповідальность

Поняття, особливості та підстави адміністративної відповідальності. Принципи адміністративної відповідальності. Відмінність адміністративної відповідальності від інших видів юридичної відповідальності.

Фінансове право. Особливості фінансових правовідносин

Фінансове право – це система правових норм , що регулюють суспільні відносини у сфері збирання та використання органами влади коштів для забезпечення виконання функцій держави.

Биология. Тест с ответами

Предмет «Биология» отд. «Сестринское дело». Биология клетки, Обмен веществ и энергии в клетке, Размножение организмов, Биология индивидуального развития Основы генетики и селекции

Усна народна творчість, освіта і писемність

Галицько-Волинський літопис. Архітектура і містобудування.. Живопис, художні ремесла. Висновки. Західноукраїнські землі, Галичина і Волинь

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok