Эволюция физики - Альберт Эйнштейн

Скорость света

В Галилеевых «Беседах о двух новых науках» мы находим разговор учителя и его учеников о скорости света:

Сагредо: Но какого рода и какой степени быстроты должно быть это движение света? Должны ли мы считать его мгновенным или же совершающимся во времени, как другие движения? Нельзя ли опытом убедиться, каково оно?

Симпличио: Повседневный опыт показывает, что распространение света совершается мгновенно. Если вы наблюдаете с большого расстояния действие артиллерии, то свет от пламени выстрелов без всякой потери времени запечатлевается в нашем глазу в противоположность звуку, который доходит до уха через значительный промежуток времени.

Сагредо: Ну, синьор Симпличио, из этого общеизвестного опыта я не могу вывести никакого другого заключения, кроме того, что звук доходит до нашего слуха через бо´льшие промежутки времени, нежели свет; но это нисколько не убеждает меня в том, что распространение света происходит мгновенно и не требует известного, хотя и малого времени…

Сальвиати: Малая доказательность этих и других подобных же наблюдений заставила меня подумать о каком-либо способе удостовериться безошибочно в том, что освещение, т. е. распространение света, совершается действительно мгновенно…

Далее Сальвиати продолжает объяснять метод своего эксперимента. Для того чтобы понять его идею, представим себе, что скорость света не только конечна, но и мала, что движение света замедлилось подобно тому, как может замедлиться на экране реальное движение при просмотре замедленно движущейся пленки. Два человека, А и В, держат закрытые фонари и стоят, скажем, на расстоянии одного километра друг от друга. Первый человек, А, открывает свой фонарь. Оба они согласились, что В откроет свой фонарь в момент, когда увидит свет А. Предположим, что в нашем «замедленном движении» свет проходит один километр в секунду. А посылает сигнал, открывая свой фонарь, В видит это спустя секунду и посылает ответный сигнал. Этот сигнал получает А спустя две секунды после того, как он послал свой сигнал. Иными словами, если свет движется со скоростью одного километра в секунду, то пройдет две секунды между посылкой и приемом сигналов А, если предположить, что В находится на расстоянии одного километра. Наоборот, если А не знает скорости света, но предполагает, что его компаньон действует так, как условились, и он заметил, что В открыл фонарь через две секунды после того, как он открыл свой, то он может заключить, что скорость света равна одному километру в секунду.

При той экспериментальной технике, какая была доступна во времена Галилея, не было шансов определить скорость света таким путем. Если расстояние было порядка одного километра, то он должен был бы определять промежутки времени порядка одной стотысячной секунды.

Галилей сформулировал проблему определения скорости света, но он не разрешил ее. Формулировка проблемы часто более существенна, чем ее разрешение, которое может быть делом лишь математического или экспериментального искусства. Постановка новых вопросов, развитие новых возможностей, рассмотрение старых проблем под новым углом зрения требуют творческого воображения и отражают действительный успех в науке. Принцип инерции, закон сохранения энергии были получены только благодаря новым и оригинальным идеям в отношении уже хорошо известных экспериментов и явлений. Много примеров такого рода можно найти на последующих страницах этой книги, где будет подчеркнута важность рассмотрения известных фактов в новом свете и будут описаны новые теории.

Возвращаясь к сравнительно простому вопросу об определении скорости света, мы можем заметить, что удивительно, почему Галилей не установил, что его эксперимент мог бы быть осуществлен значительно проще и точнее одним человеком. Вместо того чтобы ставить на некотором расстоянии от себя своего компаньона, он мог бы установить там зеркало, которое автоматически посылало бы сигнал сразу же после его получения.

Около 250 лет спустя зеркало использовал Физо, который был первым, кто определил скорость света с помощью экспериментов со светом, исходящим от земного источника. С помощью астрономических наблюдений скорость света была определена Рёмером гораздо раньше, хотя и с меньшей точностью.

Совершенно ясно, что благодаря своей огромной величине скорость света могла быть измерена только при условии, если расстояния были сравнимы с расстояниями между Землей и другими планетами Солнечной системы, или же с помощью весьма утонченной экспериментальной техники. Первый метод — это метод Рёмера, второй же — метод Физо. Со времени этих первых экспериментов скорость света, представляющая весьма важную величину, измерялась много раз со все возрастающей точностью. В нашем столетии Майкельсон изобрел для этой цели весьма совершенную аппаратуру. Результат этих экспериментов можно выразить просто: скорость света в вакууме равна примерно 300000 км/с.

Свет как субстанция

Мы опять начинаем с нескольких экспериментальных фактов. Только что приведенная величина относится к скорости света в вакууме. Свет распространяется с этой скоростью в пустом пространстве. Мы можем видеть и через пустой стеклянный сосуд, когда из него удален воздух. Мы видим планеты, звезды, небесные тела, хотя свет доходит от них к нашим глазам через пустое пространство. Тот простой факт, что мы можем видеть через стеклянный сосуд независимо от того, имеется ли внутри него воздух или нет, показывает нам, что наличие воздуха имеет весьма малое значение. На этом основании мы можем осуществлять оптические эксперименты в обыкновенной комнате с тем же самым эффектом, как если бы там не было воздуха.

Один из наиболее простых оптических фактов — это прямолинейное распространение света. Опишем примитивные эксперименты, показывающие это. Перед точечным источником помещен экран с отверстием. Точечный источник — это очень малый источник света, скажем маленькое отверстие в закрытом фонаре. На отдаленной стене отверстие в экране будет представлено в виде светлого пятна на темном фоне. Рис. 37 показывает, как это явление связано с прямолинейным распространением света. Все подобные явления, даже в более сложных случаях, в которых кроме света и тени появляются еще и полутени, можно объяснить, если предположить, что и в вакууме, и в воздухе свет распространяется по прямым линиям.

Рис. 37

Возьмем другой случай, когда свет проходит через вещество. Пусть световой пучок проходит через вакуум и падает на стеклянную пластинку. Что происходит? Если бы закон прямолинейного движения был по-прежнему справедлив, то путь светового пучка шел бы вдоль линии, указанной на рис. 38 пунктиром. Но в действительности это не так. Луч преломляется, как указано на рисунке. Явление, которое мы здесь наблюдаем, называется рефракцией (преломлением). Одной из многих демонстраций рефракции является известный опыт с палкой, которая, будучи наполовину опущенной в воду, кажется переломленной.

Рис. 38

Этих фактов достаточно для того, чтобы построить элементарную механическую теорию света. Наша цель здесь — показать, как идеи субстанции, частиц и сил проникли в область оптики и как в конечном счете потерпела крах старая точка зрения.

Здесь теория приходит на ум в самой простой и примитивной форме. Предположим, что все светящиеся тела испускают частицы света, или корпускулы, которые, попадая в наши глаза, производят в них ощущение света. Мы уже настолько привыкли вводить новые субстанции, если это необходимо для механистического объяснения, что можем сделать это еще раз без больших колебаний. Эти корпускулы должны проходить по прямым линиям через пустое пространство с известной скоростью, принося к нашим глазам сообщения от тел, испускающих свет. Все явления, показывающие прямолинейное распространение света, подкрепляют корпускулярную теорию света, ибо именно этот вид движения предписан корпускулам. Теория объясняет очень просто и отражение света зеркалом; это отражение такого же рода, как и отражение, обнаруживаемое в механических экспериментах с упругими мячами, ударяющимися в стену, как показывает рис. 39.

Рис. 39

Объяснение рефракции немного труднее. Не входя в детали, мы все же видим возможность ее механистического объяснения. Если корпускулы падают, например, на поверхность стекла, то возможно, что на них действует сила, создаваемая частицами вещества, которая довольно странно действует только в непосредственном соседстве с веществом. Как мы знаем, любая сила, действующая на движущуюся частицу, изменяет ее скорость. Если сила, действующая на световую корпускулу, есть притяжение, перпендикулярное к поверхности стекла, то новое движение луча будет где-то между линией первоначального пути и перпендикуляром к поверхности стекла. Кажется, что это элементарное объяснение обещает успех корпускулярной теории света. Однако, чтобы определить полезность и степень справедливости этой теории, мы должны исследовать новые и более сложные факты.