Скорость света

в свободном пространстве (вакууме) с,скорость распространения любых электромагнитных волн (См. Электромагнитные волны) (в т. ч. световых); одна из фундаментальных физических постоянных (См. Физические постоянные), огромная роль которой в современной физике определяется тем, что она представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий (см. Относительности теория) и инвариантна (т. е. не меняется) при переходе от одной системы отсчёта (См. Система отсчёта) к другой. Никакие сигналы не могут быть переданы со скоростью, большей с, а со скоростью с их можно передать лишь в вакууме. Величина с связывает массу и полную энергию материального тела; через неё выражаются преобразования координат, скоростей и времени при изменении системы отсчёта (Лоренца преобразования); она входит во многие другие соотношения. Под С. с. в среде с' обычно понимают лишь скорость распространения оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света); она зависит от преломления показателя (См. Преломления показатель) среды n, различного, в свою очередь, для разных частот v излучения (Дисперсия света); с'(ν) = c/n(ν). Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости (См. Групповая скорость) от фазовой скорости (См. Фазовая скорость) света в среде, если речь идёт не о монохроматическом свете (См. Монохроматический свет) (для С. с. в вакууме эти две величины совпадают). Экспериментально определяя с', всегда измеряют групповую С. с. либо т. н. скорость сигнала, или скорость передачи энергии, только в некоторых специальных случаях не равную групповой.

Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения значений других физических величин, но и для практических целей (см. ниже). Впервые С. с. определил в 1676 О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутника Юпитера Ио. В 1728 то же проделал Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света (См. Аберрация света) звёзд. На Земле С. с. первым измерил — по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы) — в 1849 А. И. Л. Физо.(Показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, и наземные измерения дают величину, весьма близкую к с.) В опыте Физо пучок света периодически прерывался вращающимся зубчатым диском, проходил базу (около 8 км) и, отразившись от зеркала, возвращался на периферию диска (рис. 1). Падая при этом на зубец, свет не достигал наблюдателя, попадая в промежуток между зубцами, — регистрировался наблюдателем. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил с = 315 300 км/сек.

В 1862 Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 идею Д. Араго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся (512 об/сек) зеркало. Отражаясь от зеркала, пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на это же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол (рис. 2). При базе всего в 20 м Фуко нашёл, что С. с. равна 298000 ± 500 км/сек. Схемы и основные идеи опытов Физо и Фуко были многократно использованы на более совершенной технической основе др. учёными, измерявшими С. с. Наибольшего развития метод Фуко достиг в работах А. Майкельсона (1879, 1902, 1926). Полученное им в 1926 значение с = 299/96 ± 4 км/секбыло тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.

Измерения С. с. в 19 в. не только выполнили свою непосредственную задачу, но и сыграли чрезвычайно большую роль в физике. Они дополнительно подтвердили волновую теорию света (см. Оптика), уже достаточно обоснованную другими экспериментами (Фуко, 1850, сравнение С. с. одной и той же частоты ν в воздухе и воде), а также установили тесную связь оптики с теорией электромагнетизма — измеренная С. с. совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитной и электростатических единиц электрического заряда (опыты В. Вебера и Ф. Кольрауша (См. Кольрауша закон)в 1856 и последующие более точные измерения Дж. К. Максвелла). Последнее явилось одним из отправных пунктов при создании Максвеллом электромагнитной теории света в 1864—73. Кроме того, измерения С. с. вскрыли глубокое противоречие в основных теоретических посылках физики того времени, связанных с представлением о мировом Эфире. Эти измерения давали аргументы в пользу взаимоисключающих гипотез о поведении эфира при движении через него материальных тел (анализ явления аберрации света английским физиком Дж. Б. Эри в 1871 и Физо опыт1851, повторённый в 1886 Майкельсоном и Э. Морли, результаты которых поддерживали концепцию частичного увлечения эфира; Майкельсона опыт 1881 и 1887 — последний совместно с Морли, — отвергший какое-либо увлечение эфира). Разрешить это противоречие удалось лишь в специальной теории относительности (А. Эйнштейн, 1905).

В современных измерениях С. с. используется модернизированный метод Физо (модуляционный метод) с заменой зубчатого колеса на электрооптический, дифракционный, интерференционный или какой-либо иной модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок (см. Модуляция света). Приёмником излучения служит Фотоэлемент или Фотоэлектронный умножитель. Применение Лазера в качестве источника света, ультразвукового модулятора со стабилизированной частотой и повышение точности измерения длины базы позволили снизить погрешности измерений и получить значение с = 299792,5 ± 0,15 км/сек. Помимо прямых измерений С. с. по времени прохождения известной базы широко применяются т. н. косвенные методы, дающие ещё большую точность. Так, методом микроволнового вакуумированного резонатора (английский физик К. Фрум, 1958) при длине волны излучения λ = 4 смполучено значение с = 299792,5 ± 0,1 км/сек. Погрешность определения С. с. как частного от деления независимо найденных λ и ν атомарных или молекулярных спектральных линий (См. Спектральные линии) ещё меньше. Американский учёный К. Ивенсон и его сотрудники в 1972 по цезиевому стандарту частоты (см. Квантовые стандарты частоты) нашли с точностью до 11 знаков частоту излучения СН₄-лазера, а по криптоновому стандарту частоты — его длину волны (около 3,39 мкм) и получили с = 299792456,2 ± 0,8 м/сек. К настоящему времени (1976) по решению XII Генеральной ассамблеи Международный союза по радиосвязи (1957) принято считать С. с. в вакууме равной 299792 ± 0,4 км/сек.

Знание точной величины С. с. имеет большое практическое значение, в частности в связи с определением расстояний по времени прохождения радио- или световых сигналов в радиолокации (См. Радиолокация), оптической локации (См. Оптическая локация) и дальнометрии. Особенно широко этот метод применяется в геодезии и в системах слежения за искусственными спутниками Земли (См. Искусственные Спутники Земли); он использован для точного измерения расстояния между Землёй и Луной и для решения ряда других задач.

Лит.: Вафиади В. Г., Попов Ю. В., Скорость света и ее значение в науке и технике, Минск, 1970; Тейлор Б. Н., Паркер В., Лангенберг Д., Фундаментальные константы и квантовая электродинамика, пер. с англ., М., 1972; Розенберг Г. В., Скорость света в вакууме, «Успехи физических наук», 1952, т. 48, в. 4; Froome К. D., «Proceedings of Royal Society», 1958, ser A, v. 247, p. 109; Eveitson K. et al, 1972 Annual Meeting of the Optical Society of America, San Francisco, 1972.

А. М. Бонч-Бруевич.

Рис. 1. Определение скорости света методом «зубчатого колеса» (методом Физо). S — источник света; W — вращающееся зубчатое колесо с изменяемой скоростью вращения и точно известными ширинами зубцов и промежутков а между ними; N — полупрозрачное зеркало; М — отражающее зеркало; MN — точно измеренное расстояние (база); Е — окуляр. Наблюдатель регистрирует в Е свет наибольшей яркости, когда время прохождения светом расстояния NM и обратно равно времени поворота W на целое число зубцов (1, 2, 3 и т. д.). Пучок лучей света при этом проходит строго посередине между зубцами как на участке NM, так и при обратном ходе MN.

Рис. 2. Определение скорости света методом вращающегося зеркала (методом Фуко). S — источник света; R — быстровращающееся зеркало; С — неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отраженный С, всегда падает обратно на R); М — полупрозрачное зеркало; L — объектив; Е — окуляр; RC — точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через L. L собирает отраженный пучок в точке S’, а не вновь в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале R. Скорость света устанавливают, измеряя смещение SS’.

СКОРОСТЬ СВЕТА - скорость распространения электромагнитных волн. В вакууме скорость света c = 299 792 458 .1,2 м/с (на 1980). Это - предельная скорость распространения любых физических воздействий (см. Относительности теория). В среде скорость света зависит от его частоты (длины волны). Различают фазовую скорость ? = c/n2 (n - показатель преломления) и групповую - скорость распространения энергии в квазимонохроматической волне.

СКОРОСТЬ СВЕТА, скорость распространения электромагнитных волн. В вакууме скорость света c > 299,79?106 м/с; это предельная скорость распространения физических воздействий. В среде скорость света меньше, так, например, в стекле в 3 раза, а в воде в 9 раз. скорость света впервые измерил в 1675 датский астроном О.К. Ремер по измерению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера; в 1849 французский физик А. Физо измерил скорость света на Земле по времени прохождения известного расстояния; в 1972 скорость света с большой точностью установлена по квантовым стандартам частоты (по измерениям длины волны l и частоты n; скорость света = ln).

velocity of light

light speed

СКОРОСТЬ СВЕТА

в свободном пространстве (вакууме) с, скорость распространения любых электромагнитных волн (в т. ч. световых); одна из фундам. физических постоянных; представляет собой предельную скорость распространения любых физ. воздействий (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ) и инвариантна при переходе от одной системы отсчёта к другим. Величина с связывает массу и полную энергию материального тела; через неё выражаются преобразования координат, скоростей и времени при изменении системы отсчёта (Лоренца преобразования); она входит во мн. др. соотношения. С. с. в с р е д е с' зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот n излучения (Дисперсия света): с'(n) =c/n(n). Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости света в среде, если речь идёт не о монохроматическом сеете (для С. с. в вакууме эти две величины совпадают). Экспериментально определяя с', всегда измеряют групповую С. с. либо т. н. скорость сигнала, или скорость передачи энергии, только в нек-рых спец. случаях не равную групповой.

Впервые С. с. определил в 1676 дат. астроном О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 её установил англ. астроном Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звёзд. На Земле С. с. первым измерил — по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы) — в 1849 франц. физик А. И. Л. Физо. (Показатель преломления воздуха очень мало отличается от единицы, и наземные измерения дают величину, весьма близкую к с.) В опыте Физо пучок света от источника S, отражённый полупрозрачным зеркалом N, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском W, проходил базу MN (ок. 8 км) и, отразившись от зеркала М, возвращался к диску (рис. 1). Падая при этом на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр Е. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы.

Рис. 1. Определение скорости света методом Физо.

Физо получил значение с=313300 км/с. В 1862 франц. физик Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 франц. учёным Д. Араго идею, применив вместо зубчатого диска быстро вращающееся (512 об/с) зеркало. Отражаясь от зеркала, пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на это же зеркало, успевшее повернуться на нек-рый малый угол (рис. 2). При базе всего в 20м Фуко нашёл, что С. с. равна 298000± ±500 км/с.

Рис. 2. Определение скорости света методом вращающегося зеркала (методом Фуко). S — источник света; R — быстровращаюшееся зеркало; С — неподвижное вогнутое зеркало, центр кривизны к-рого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отражённый С, всегда попадает обратно на R); М — полупрозрачное зеркало; L — объектив; Е — окуляр; RС — точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через L. Объектив L собирает отражённый пучок в точке S', а не в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале R. Скорость света устанавливают, измеряя смещение SS'.

Схемы и осн. идеи опытов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению С. с. Полученное амер. физиком А. Майкельсоном (см. МАЙКЕЛЬСОНА ОПЫТ) в 1926 значение c=299796±4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернац. таблицы физ. величин.

Измерения С. с. в 19 в. сыграли большую роль в физике, дополнительно подтвердив волн. теорию света (выполненное Фуко в 1850 сравнение С. с. одной и той же частоты v в воздухе и воде показало, что скорость в воде и=c/n(n), как и предсказывала волновая теория), а также установили связь оптики с теорией электромагнетизма — измеренная С. с. совпала со скоростью эл.-магн. волн, вычисленной из отношения эл.-магн. и электростатич. единиц электрич. заряда (опыты нем. физиков В. Вебера и Р. Кольрауша в 1856 и последующие более точные измерения англ. физика Дж. К. Максвелла). Это совпадение явилось одним из отправных пунктов при создании Максвеллом эл.-магн. теории света в 1864—73.

В совр. измерениях С. с. используется модернизир. метод Физо (модуляц. метод) с заменой зубчатого колеса на электрооптич., дифракц., интерференционный или к.-л. иной модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок (см. МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА). Приёмником излучения служит фотоэлемент или фотоэлектронный умножитель. Применение лазера в кач-ве источника света, УЗ модулятора со стабилизир. частотой и повышение точности измерения длины базы позволили снизить погрешности измерений и получить значение с=299792,5±0,15 км/с. Помимо прямых измерений С. с. по времени прохождения известной базы, широко применяются т. н. косвенные методы, дающие большую точность. Так, с помощью микроволнового вакуумиров. резонатора (англ. физик К. Фрум, 1958) при длине волны излучения l=4 см получено значение с=299792,5±0,1 км/с. С ещё меньшей погрешностью определяется С. с. как частное от деления независимо найденных l и n ат. или мол. спектральных линий. Амер. учёный К. Ивенсон и его сотрудники в 1972 по цезиевому стандарту частоты (см. КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ) нашли с точностью до 11-го знака частоту излучения СН4-лазера, а по криптоновому стандарту частоты — его длину волны (ок. 3,39 мкм) и получили с=299792456,2±0,2 м/с. Однако эти результаты требуют дальнейшего подтверждения. Решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным данным для науки и техники — КОДАТА (1973) С. с. в вакууме принято считать равной 299792458±1,2 м/с.

Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретич. плане и для определения значений др. физ. величин, но и для практич. целей. К ним, в частности, относится определение расстояний по времени прохождения радио- или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии, в системах слежения за ИСЗ и т. д.

ско́рость све́та

скорость распространения электромагнитных волн. В вакууме скорость света с = 299792458 ± 1,2 м/с (на 1980). Это — предельная скорость распространения любых физических воздействий (см. Относительности теория). В среде скорость света зависит от его частоты (длины волны). Различают фазовую скорость v = с/n (n — показатель преломления) и групповую — скорость распространения энергии в квазимонохроматической волне.

* * *

СКО́РОСТЬ СВЕ́ТА, скорость распространения электромагнитных волн. В вакууме скорость света c = 299 792 458 ±1,2 м/с (на 1980). Это — предельная скорость распространения любых физических воздействий (см. Относительности теория(см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ)). В среде скорость света зависит от его частоты (длины волны). Различают фазовую скорость n = c/n² (n — показатель преломления) и групповую — скорость распространения энергии в квазимонохроматической волне.

СКОРОСТЬ СВЕТА — одна из основных фундаментальных физических постоянных (обозначается с). С. с. равна скорости распространения любых электромагнитных волн (включая и световые) в вакууме: с = 299792458 м/с, или округлённо 300000 км/с = 3∙10⁸ м/с. Величина с связывает массу (см.) и полную энергию материального тела (Е = mс²), она входит во многие соотношения. С. с. в какой-либо среде зависит от показателя преломления (см. (4)) этой среды, различного для разных частот излучения (длин волн). В веществе С. с. (фазовая скорость) меньше, чем в вакууме, где она согласно теории относительности (см.) является предельной скоростью передачи и распространения любых физ. взаимодействий. С. с. является предельной скоростью движения любых материальных тел и не зависит от скорости движения системы отсчёта, относительно которой определяется.