Аппарат Физо – Фуко - это один из двух типов инструментов, которые исторически использовались для измерения скорости света . Слияние двух типов инструментов происходит отчасти потому, что Ипполит Физо и Леон Фуко изначально были друзьями и соавторами. Они работали вместе над такими проектами, как использование процесса дагерротипа для получения изображений Солнца между 1843 и 1845 годами [1] и определение полос поглощения в инфракрасном спектре солнечного света в 1847 году [2].
В 1834 году Чарльз Уитстон разработал метод использования быстро вращающегося зеркала для изучения переходных процессов и применил этот метод для измерения скорости электрического тока в проводе и продолжительности электрической искры. [3] Он сообщил Франсуа Араго идею о том, что его метод может быть адаптирован для изучения скорости света. Араго расширил концепцию Уитстона в публикации 1838 года, подчеркнув возможность того, что проверка относительной скорости света в воздухе по сравнению с водой может быть использована для различения теории света частиц и волн.
В 1845 году Араго предложил Физо и Фуко попытаться измерить скорость света. Однако где-то в 1849 году, похоже, эти двое поссорились, и их пути разошлись, преследуя разные способы проведения этого эксперимента. [1] В 1848–1849 годах Физо использовал не вращающееся зеркало, а прибор с зубчатым колесом, чтобы произвести абсолютное измерение скорости света в воздухе. В 1850 году Физо и Фуко использовали вращающиеся зеркала для измерения скорости света в воздухе по сравнению с водой. Фуко использовал увеличенную версию вращающегося зеркала для проведения абсолютного измерения скорости света в 1862 году. В последующих экспериментах, проведенных Мари Альфредом Корню в 1872–76 годах и Альбертом А. Михельсоном в 1877–1931 годах, использовались улучшенные версии прибора. эксперименты с зубчатым колесом и вращающимся зеркалом, чтобы делать более точные оценки скорости света.
Определение Физо скорости света
В 1848–1849 годах Ипполит Физо определил скорость света между мощным источником света и зеркалом на расстоянии около 8 км. Источник света прерывался вращающимся зубчатым колесом с 720 зубцами, которое можно было вращать с переменной скоростью до сотен раз в секунду. (Рисунок 1) Физо регулировал скорость вращения зубчатого колеса до тех пор, пока свет, проходящий через одну выемку зубчатого колеса, полностью не затмевался соседним зубом. Вращение зубчатого колеса в 3, 5 и 7 раз от этой базовой скорости также приводило к затмению отраженного света зубьями зубчатого колеса, следующими по очереди. [1] Учитывая скорость вращения колеса и расстояние между колесом и зеркалом, Физо смог вычислить значение 315000 км / с для скорости света. Физо было трудно визуально оценить минимум интенсивности света, блокируемого соседними зубами [4], а его значение скорости света было примерно на 5% выше. [5] Статья Физо появилась в Comptes Rendus: Hebdomadaires de scéances de l'Academie de Sciences (Париж, том 29 [июль – декабрь 1849 г.], стр. 90–92).
С начала и до середины 1800-х годов велись интенсивные дискуссии о природе света, состоящей из частиц и волн. Хотя может показаться, что наблюдение пятна Араго в 1819 году окончательно решило вопрос в пользу волновой теории света Френеля , различные проблемы продолжали более удовлетворительно решаться корпускулярной теорией Ньютона. [6] Араго предположил в 1838 году, что дифференциальное сравнение скорости света в воздухе и в воде послужит доказательством или опровержением волновой природы света. В 1850 году, соревнуясь с Фуко, чтобы установить эту точку зрения, Физо нанял LFC Breguet для создания устройства с вращающимся зеркалом, в котором он разделил луч света на два луча, проходя один через воду, а другой - по воздуху. Побежденный Фуко всего на семь недель [7] : 117–132, он подтвердил, что скорость света была больше, когда он перемещался по воздуху, подтверждая волновую теорию света. [1] [Примечание 1]
Определение Фуко скорости света
В 1850 и 1862 годах Леон Фуко сделал улучшенные определения скорости света, заменив вращающееся зеркало зубчатого колеса Физо. (Рис. 2) Устройство включает свет из щели S, отражающийся от вращающегося зеркала R , формируя изображение щели на дальнем неподвижном зеркале M , которое затем отражается обратно, чтобы преобразовать изображение исходной щели. Если зеркало R неподвижно, то изображение щели изменится в точке S независимо от наклона зеркала. Однако ситуация иная, если R находится в быстром вращении. [9]
Поскольку вращающееся зеркало R немного сдвинется за время, необходимое для отражения света от R к M и обратно, свет будет отклоняться от исходного источника на небольшой угол.
Если расстояние между зеркалами составляет h , время между первым и вторым отражениями на вращающемся зеркале составляет 2 часа / c ( c = скорость света). Если зеркало вращается с известной постоянной угловой скоростью ω , оно изменяет угол во время кругового обхода света на величину θ, определяемую как: Скорость света рассчитывается из наблюдаемого угла θ , известной угловой скорости ω и измеренного расстояния h как |
Как видно на рисунке 3, смещенное изображение источника (щели) находится под углом 2 θ от направления источника. [9]
Руководствуясь теми же мотивами, что и его бывший партнер, Фуко в 1850 году был больше заинтересован в разрешении спора о соотношении частиц и волн, чем в определении точного абсолютного значения скорости света. [6] [Примечание 2] Фуко измерил дифференциальную скорость света в воздухе по сравнению с водой, вставив трубку, наполненную водой, между вращающимся зеркалом и дальним зеркалом. Его экспериментальные результаты, объявил незадолго до Физо объявил его результаты по той же теме, рассматривались как «вождения последний гвоздь в гроб» из Ньютона «s корпускулярно теории света , когда он показал , что свет проходит медленнее через воду , чем через воздух. [10] Ньютон объяснил преломление как притяжение среды к свету, подразумевая увеличение скорости света в среде. [11] Корпускулярная теория света ушла в небытие, полностью омраченная волновой теорией. [Примечание 3] Такое положение дел продолжалось до 1905 года, когда Эйнштейн представил эвристические аргументы, согласно которым при различных обстоятельствах, например при рассмотрении фотоэлектрического эффекта , свет проявляет поведение, указывающее на природу частиц. [13]
В отличие от его измерения 1850 года, измерение Фуко 1862 года было направлено на получение точного абсолютного значения скорости света, поскольку его заботой было вывести улучшенное значение для астрономической единицы . [6] [Примечание 4] В то время Фуко работал в Парижской обсерватории под руководством Урбена ле Верье . Леверье полагал, основываясь на обширных расчетах небесной механики, что согласованное значение скорости света было, возможно, на 4% завышенным. Технические ограничения не позволили Фуко разделить зеркала R и M более чем на 20 метров. Несмотря на эту ограниченную длину пути, Фуко смог измерить смещение изображения щели (менее 1 мм [4] ) со значительной точностью. Кроме того, в отличие от эксперимента Физо (который требовал измерения скорости вращения зубчатого колеса с регулируемой скоростью), он мог вращать зеркало с постоянной, хронометрически определяемой скоростью. Измерение Фуко подтвердило оценку Леверье. [7] : 227–234 Его значение скорости света в 1862 г. (298000 км / с) было в пределах 0,6% от современного значения. [14]
Уточнение Корню эксперимента Физо
По просьбе Парижской обсерватории под руководством Ле Верье Мари Альфред Корню повторила измерение зубчатого колеса Физо 1848 года в серии экспериментов 1872–1876 годов. Цель состояла в том, чтобы получить значение скорости света с точностью до одной тысячной. Оборудование Корню позволяло ему отслеживать высокие уровни вымирания, вплоть до 21-го порядка. Вместо оценки минимума интенсивности света, блокируемого соседними зубцами, что было относительно неточной процедурой, Корню провел пары наблюдений по обе стороны от минимумов интенсивности, усредняя значения, полученные при вращении колеса по часовой стрелке и против часовой стрелки. Электрическая схема записывала вращение колеса на диаграмму хронографа, что позволяло точно сравнивать скорость с часами обсерватории, а расположение телеграфных клавиш позволяло Корню отмечать на этой же диаграмме точные моменты, когда он считал, что вымирание наступило или закончилось. [15] Его последний эксперимент проводился по пути, почти в три раза длиннее, чем тот, который использовал Физо, и дал значение 300400 км / с, что находится в пределах 0,2% от современного значения. [6]
Уточнение Майкельсоном эксперимента Фуко
На рисунке 2 видно, что Фуко поместил вращающееся зеркало R как можно ближе к линзе L, чтобы максимально увеличить расстояние между R и прорезью S. зеркало M. Чем больше расстояние RM, тем быстрее изображение проходит через зеркало M и тем меньше света отражается обратно. Фуко не мог увеличить расстояние RM в сложенном оптическом устройстве более чем на 20 метров, если бы изображение щели не стало слишком тусклым для точного измерения. [8]
Между 1877 и 1931 годами Альберт А. Михельсон провел несколько измерений скорости света. Его измерения в 1877–79 годах были выполнены под эгидой Саймона Ньюкомба , который также работал над измерением скорости света. Установка Майкельсона включала в себя несколько усовершенствований оригинальной аранжировки Фуко. Как видно на рисунке 5, Майкельсон поместил вращающееся зеркало R рядом с главным фокусом линзы L ( т. Е. Точкой фокусировки при падающих параллельных лучах света). Если бы вращающееся зеркало R было точно в главном фокусе, движущееся изображение щели оставалось бы на дальнем плоском зеркале M (равном по диаметру линзе L) до тех пор, пока ось луча света оставалась на линзе, это верно независимо от расстояния RM. Таким образом, Майкельсон смог увеличить расстояние до RM почти до 2000 футов. Чтобы достичь разумного значения расстояния RS, Майкельсон использовал объектив с очень длинным фокусным расстоянием (150 футов) и компрометировал конструкцию, поместив R примерно на 15 футов ближе к L, чем главный фокус. Это позволяло расстояние RS от 28,5 до 33,3 футов. Он использовал тщательно откалиброванные камертоны для отслеживания скорости вращения зеркала R с приводом от воздушной турбины и обычно измерял смещения изображения щели порядка 115 мм. [8] Его значение скорости света в 1879 г., 299944 ± 51 км / с, было в пределах 0,05% от современного значения. Его повторение эксперимента 1926 года включало в себя дальнейшие усовершенствования, такие как использование вращающихся зеркал в форме многоугольной призмы (обеспечивающих более яркое изображение), имеющих от восьми до шестнадцати граней и базовую линию 22 мили, исследованную с точностью до долей на миллион. Его цифра 299 796 ± 4 км / с [16] была всего на 4 км / с выше, чем текущее принятое значение. [14] Последняя попытка Майкельсона в 1931 году измерить скорость света в вакууме была прервана его смертью. Хотя его эксперимент был завершен посмертно Ф. Г. Пизом и Ф. Пирсоном, различные факторы препятствовали измерению с высочайшей точностью, включая землетрясение, которое нарушило базовые измерения. [17]
Сноски
- ^ Учитывая наше современное понимание света, может быть довольно трудно понять, почему можно было ожидать, что модель частиц света предсказывает более высокую скорость света в воде, чем в воздухе. (1) Вслед за Декартом считалось (ошибочно), что, когда луч света пересекает границу раздела воздух / вода, тангенциальная составляющая его скорости ( т. Е. Его скорость, параллельная поверхности) должна сохраняться. Если бы это было так, то наблюдаемый факт, что угол преломления меньше угла падения, когда луч света входит в воду, обязательно подразумевает более высокую скорость в воде. (2) Было известно, что звук в твердых телах и жидкостях распространяется быстрее, чем в воздухе. (3) Ньютон предположил своего рода гравитационное притяжение легких частиц водой в направлении, перпендикулярном поверхности воздуха / воды. Это объясняет закон Снеллиуса и, в соответствии с Декартом, не подразумевает изменения составляющей скорости, параллельной поверхности. [6]
- ↑ Современные отчеты об экспериментах Физо и Фуко 1850 г. относят их определения относительной скорости к решающим принципам экспериментальной теории выбросов, не упоминая при этом никаких измерений абсолютной скорости. Например, в « Литературной газете» от 29 июня 1850 г. (стр. 441) сообщалось: «Результаты экспериментов М.М. Физо и Бреке [ sic ] по сравнительной скорости света в воздухе и в воде решительно подтверждают волнообразную теорию света. Если бы длины, пройденные двумя светящимися лучами, один через воздух, а другой через столб воды, были одинаковыми для двух сред, время прохождения было бы в соотношении четыре к трем, согласно та или иная теория, и отклонения лучей, возникающих при вращении зеркала, были бы в таком же соотношении ». См. Также «Литературную газету» от 5 сентября 1857 г. (стр. 855).
- ↑ Казалось бы, полный триумф волновой теории над корпускулярной теорией потребовал постулирования существования всепроникающего светоносного эфира , поскольку иначе было бы невозможно представить свет, пересекающий пустое пространство. Гипотетический эфир, однако, должен был иметь большое количество невероятных характеристик. Например, в своем одноименном эксперименте Физо 1851 года Физо продемонстрировал, что скорость света через движущийся столб воды не равна простой сумме скорости света, проходящего через воду, плюс скорость самой воды. Другие трудности игнорировались до тех пор, пока эксперимент Майкельсона-Морли 1887 г. не смог обнаружить никаких следов воздействия эфира. В 1892 году Хендрик Лоренц постулировал специальный набор поведения эфира, который мог бы объяснить нулевой результат Майкельсона и Морли, но истинное объяснение пришлось ждать специальной теории относительности Эйнштейна . [12]
- ^ Астрономическая единица представляет собой базовую шкалу расстояний для всех измерений Вселенной. Установление его точного значения было главной целью астрономов 19 века: эта задача была фактически определена королевским астрономом Джорджем Эйри в 1857 году как «величайшая проблема астрономии». До 1850-х годов его значение определялось относительно неточными методами параллакса, такими как измерение положения Марса относительно неподвижных звезд из удаленных друг от друга точек на Земле или наблюдение за редкими транзитами Венеры . Точная скорость света позволила бы независимые оценки астрономической единицы, например, рассуждая в обратном направлении от формулы Брэдли для звездной аберрации или рассуждая в обратном порядке на основе измерений скорости света, основанных на наблюдениях спутников Юпитера, то есть методом Ремера . [6]
Рекомендации
- ^ а б в г Хьюз, Стефан (2012). Ловцы света: Забытые жизни мужчин и женщин, которые первыми сфотографировали небеса . Издательство ArtDeCiel. С. 202–223. ISBN 978-1-62050-961-6.
- ^ Херншоу, Дж. Б. (1987). Анализ звездного света: сто пятьдесят лет астрономической спектроскопии (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 34–35. ISBN 978-0-521-25548-6. Архивировано из оригинального 15 сентября 2015 года . Проверено 28 июля 2015 года .
- ^ Уитстон, Чарльз (1834). "Отчет о некоторых экспериментах по измерению скорости электричества и продолжительности электрического света" . Философские труды Лондонского королевского общества . 124 : 583–591. Bibcode : 1834RSPT..124..583W . DOI : 10,1098 / rstl.1834.0031 . JSTOR 108080 .
- ^ а б Михельсон, Альберт А. (1879). «Экспериментальное определение скорости света» . Труды Американской ассоциации развития науки : 71–77.
- ^ Абдул аль-Аззави (2006). Фотоника: принципы и практика . CRC Press. п. 9. ISBN 0-8493-8290-4.
- ^ а б в г д е Лаужини, П. (2004). "Измерение скорости света: почему? Скорость чего?" (PDF) . Материалы Пятой Международной конференции по истории науки в естественнонаучном образовании . Архивировано из оригинального (PDF) 4 июля 2015 года . Дата обращения 3 июля 2015 .
- ^ а б Тобин, Уильям Джон (2003). Жизнь и наука Леона Фуко: человек, который доказал, что Земля вращается . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-80855-3.
- ^ а б в г Михельсон, Альберт А. (1880). Экспериментальное определение скорости света . Управление морского альманаха, Управление навигации, Военно-морское управление. Архивировано из оригинала на 1 ноября 2013 года . Дата обращения 2 июля 2015 .
- ^ а б в Ральф Байерлейн (2001). От Ньютона до Эйнштейна: след света: экскурс в дуализм волна-частица и специальная теория относительности . Издательство Кембриджского университета. п. 44; Рисунок 2.6 и обсуждение. ISBN 0-521-42323-6.
- ^ Дэвид Кэссиди; Джеральд Холтон; Джеймс Резерфорд (2002). Понимание физики . Birkhäuser. ISBN 0-387-98756-8.
- ^ Брюс Х. Уокер (1998). Основы оптической инженерии . SPIE Press. п. 13. ISBN 0-8194-2764-0.
- ^ Янссен, Мишель; Stachel, John (2010), «Оптика и электродинамика движущихся тел» (PDF) , в John Stachel (ed.), Going Critical , Springer, ISBN 978-1-4020-1308-9, архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2015 г.
- ^ Ниаз, Мансур; Классен, Стивен; Макмиллан, Барбара; Мец, Дон (2010). «Реконструкция истории фотоэффекта и его последствий для учебников общей физики» (PDF) . Научное образование . 94 (5): 903–931. Bibcode : 2010SciEd..94..903N . DOI : 10.1002 / sce.20389 . Архивировано из оригинала на 1 июля 2015 года . Проверено 1 июля 2015 года .
- ^ а б Гиббс, Филип. "Как измеряется скорость света?" . Оригинальный FAQ по физике Usenet . Архивировано из оригинального 21 августа 2015 года . Проверено 1 июля 2015 года .
- ^ а б Корню, Мария Альфред (1876). Détermination de la vitesse de la lumière: d'après des expériences exécutées в 1874 году в Entre l'Observatoire et Montlhéry . Готье-Виллар. Архивировано из оригинального 29 октября 2015 года . Проверено 27 октября 2015 года .
- ^ Михельсон, AA (1927). «Измерение скорости света между горами Вильсон и Сан-Антонио». Астрофизический журнал . 65 : 1–13. Bibcode : 1927ApJ .... 65 .... 1M . DOI : 10.1086 / 143021 .
- ^ Михельсон, AA; Pease, FG; Пирсон, Ф. (1935). «Измерение скорости света в частичном вакууме». Вклады Обсерватории Маунт Вильсон / Института Карнеги в Вашингтоне . 522 : 1–36. Bibcode : 1935CMWCI.522 .... 1M .
Внешние ссылки
Измерения относительной скорости света
- "Sur un système d'expériences à l'aide duquel la théorie de l'émission et celle des ondes seront soumises à des épreuves décisives". Ф. Араго (1838)
- Sur les vitesses родственники de la lumière dans l'air et dans l'eau / par Léon Foucault (1853)
- "Sur l'Experience relative a la vitesse relative de la lumiere dans l'air et dans l'eau". Э. Физо и Л. Бреге (1850)
Измерения абсолютной скорости света
- Sur une experience relative a la vitesse deroduction de la lumière, Э. Физо (1849)
- Mesure de la vitesse de la lumière; Оптический этюд поверхностей / воспоминания Леона Фуко (1913)
- Определение жизненного пути люмьерного: d'après des expériences exécutées в 1874 году, Entre l'Observatoire et Montlhéry , М.А. Корню (1876)
Классные демонстрации
- Скорость света (метод Фуко)
- Современный эксперимент Физо в образовательных и просветительских целях
- Измерение скорости света (видео, метод Фуко) BYU Physics & Astronomy