Введение
Фундаментальная физика в основном основана на открытиях, сделанных более 120 лет назад. Многие открытия тех времен воспринимались критично, если не враждебно сторонниками классических теорий. Существовали и сторонники новых теорий, которые, напротив, получив незначительные экспериментальные подтверждения теоретических трудов, сразу заявляли о всеобъемлющем торжестве обновленной науки.
Так, Джеймс Клерк Максвелл еще в 1864 году описал электромагнитное излучение, рассчитал теоретическую скорость электромагнитной волны и сделал принципиальнейший вывод об одинаковой скорости всех видов электромагнитного излучения. Выводы Максвелла подтвердил Генрих Герц в 1888 году в своих известных экспериментах.
Проводившиеся еще до Максвелла эксперименты по измерению скорости света начали еще более интенсивно проводиться и по отношению к только что открытым электромагнитным волнам, что, в конечном итоге, привело к бурному развитию радио и других отраслей промышленности.
На волне успешных экспериментов и практического применения, утверждения Максвелла оказались в фундаментальной зоне физики, то есть не подлежащими критике и опровержению.
В статье я делаю попытку разобраться с тем, как обстоят дела с экспериментальными доказательствами равности скоростей всех видов электромагнитных волн на сегодняшний день.
Эта статья — первая в серии из трех. В следующей статье я собираюсь разобрать историю того, как экспериментально подтверждалась отсутствие дисперсии света, и какая точность соответствующих измерений достигнута на сегодняшний день. Третья часть пока в работе, опубликую ее сразу после второй.
1.1. Измерение скорости видимого света
Свет — это физическое явление, воспринимаемое человеческим глазом. Свет излучают или отражают предметы окружающего нас мира. Свет распространяется в воздухе, в воде, в оптическом кабеле, а также в отсутствии вещества, то есть в вакууме. Распространяясь в среде, свет поглощается и рассеивается веществом.
Свет распространяется с конечной скоростью. Скорость света в различных прозрачных средах меньше скорости света в вакууме.
В античные времена скорость света считалась бесконечной, хотя существовали и мнения, согласно которым свету нужно время для прохождения пути. Но доказательства конечности скорости света появились уже ближе к нашему времени.
В 17м веке датский астроном Олаф Рёмер наблюдал затмения Ио — спутника Юпитера. Ремер заметил нерегулярность затмений Ио. Время задержки затмений увеличивалось с увеличением расстояния между Землей и Юпитером. Максимальная задержка затмений Ио при различных расположениях Земли относительно Юпитера составила 22 минуты. На основании известных параметров орбиты Земли, Ремер вычислил скорость света в 220 000 км/сек.
В 1809 году французский астроном Жан‑Батист Жозеф Деламбр, проанализировав данные о затмениях того же спутника Ио за предыдущие 150 лет, вычислил, что свету требуется 8 минут и 13 секунд, чтобы преодолеть расстояние, равное среднему радиусу земной орбиты (астрономической единице). Используя уточненные данные о размерах солнечной системы того времени, он получил значение скорости света около 300 300 км/с.
Вскоре ученые перешли к экспериментам по определению скорости света между земными объектами. Главный прорыв произошел в середине XIX века во Франции, когда два физика‑конкурента придумали, как «прервать» или «засечь» луч света.
Арман Физо в 1849 году первым измерил скорость света без использования астрономических наблюдений. Он направил луч света через зубцы быстро вращающегося колеса на зеркало, стоявшее в 8 км от него. Свет отражался и возвращался обратно. Если колесо вращается медленно, свет проходит обратно через тот же зазор. Но если разогнать колесо так, чтобы за время пути света туда‑обратно на месте зазора оказался зубец, свет исчезает. Расчеты Физо показали значение скорости света 315 300 км/с.
Леон Фуко в 1862 году усовершенствовал идею Физо, заменив колесо зеркалом. Луч падал на вращающееся зеркало, летел к дальнему неподвижному зеркалу и возвращался. Пока свет был в пути, первое зеркало успевало повернуться на крошечный угол. Этот метод позволил проводить измерения в пределах одной комнаты (лаборатории). Фуко получил 298 000 км/с, что оказалось наиболее точным измерением того времени. Кстати, именно Фуко доказал, что в воде свет движется медленнее, чем в воздухе.
Альберт Майкельсон довел метод Фуко до совершенства. Он использовал не просто зеркало, а вращающиеся многогранные призмы (восьмигранники) и увеличил расстояние между точками до 35 км (между горными вершинами в Калифорнии). В 1926 году он получил 299 796 км/с, ошибившись всего на 4 км/с от современного значения.
Альберт Майкельсон оказался одним из последних физиков, кто измерял скорость именно видимого света.
1.2. Измерение скорости электромагнитных волн (диапазон)
В то время, как в 1862 году Леон Фуко измерял скорость света с помощью вращающегося зеркала, шотландский физик Джеймс Клерк Ма́ксвелл поэтапно создавал свою теорию электромагнитизма. В 1864 году Максвел издает «Динамическую теорию электромагнитного поля», из которой следует, что видимый свет является электромагнитным излучением, распространяющимся в виде волны. Вычисленное Максвеллом теоретическое значение скорости распространения электромагнитных волн составило 310 740 000 метров в секунду, что «практически совпало» со скоростью, определенной Арманом Физо. Максвелл писал «Скорость электромагнитных возмущений настолько близка к скорости света, что у нас есть веские основания полагать, что свет сам является электромагнитным явлением».
1.2.1. Опыты Герца (FM)
Экспериментально теорию Максвелла подтвердил Генрих Герц, изучая свойства электромагнитных волн с помощью «вибратора Герца» в 1888 году. В аудитории размерами 15м на 8,5м Герцу удалось создать стоячие электромагнитные волны с помощью излучателя (вибратора Герца) и отражателя (цинкового листа размерами 4м на 2м), установленного на стене. Проведя множество измерений, Герц смог определить длину электромагнитной полуволны, которая составила 4,8м, а частоту колебаний он рассчитал теоретически через параметры катушки и конденсатора. Зная частоту и длину волны, Герц смог рассчитать скорость электромагнитной волны, которая составила 320 000 км/с. В последующих экспериментах Герц перешел на использование более коротких электромагнитных волн, что облегчило задачу подтверждения других волновых свойств электромагнитной волны, таких, как поляризация, отражение, преломление. Опыты Герца подтвердили теорию Максвелла. Герц показал, что свет и невидимые радиоволны — это «родственники», которые движутся с одинаковой скоростью
Скорость электромагнитных волн, которую рассчитал Герц получилась на 6,7% больше, чем истинная скорость света (~300 000 км/с). В дальнейшем точность измерений скорости электромагнитных волн была значительно улучшена.
1.2.2. Опыт Виттера и Бригера (Witter и H. Brieger.) (FM)
Работа Виттера и Бригера была частью масштабных усилий немецких физиков в 1930х годах по уточнению фундаментальных констант с использованием новейшей на тот момент ультракоротковолновой (УКВ) техники.
Для определения скорости радиоволн Виттер и Бригер предприняли определение скорости по методу интерференции, воспользовавшись ультракороткими волнами.
Их установка состояла из радиопередатчика с частотой 113,749 MHz, расположенного на прямой между приемником и отражателем‑плоским металлическим экраном, плоскость которого была перпендикулярна линии приемник — передатчик и который можно было перемещать, отсчитывая смещение его с достаточной точностью. При таком расположении в антенну приемника поступают два луча: прямой от передатчика и отраженный от экрана.
Величина сигнала в антенне приемника определяется разностью фаз обоих лучей, которая в свою очередь зависит от положения экрана. Величина смещения экрана, соответствующая получению двух соседних минимумов или максимумов (необходимость пользоваться максимумами или (минимумами возникает вследствие ослабления отраженного луча с увеличением расстояния до экрана) дает, очевидным образом, длину полуволны. Так как частота генератора была известна со значительной точностью (до 0,03%«; генератор был с кварцевой стабилизацией), то была достигнута большая точность измерений. Полученное ими значение скорости радиоволн в воздухе (299 782 +‑ 25км/с) практически совпало с принятым в то время значением скорости света.»
1.2.3. Исследования Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси (LW)
В СССР также проводились соответствующие исследования.
В 1945 году вышел сборник статей «НОВЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ВДОЛЬ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ».
На протяжении ряда лет, а именно, с 1933 по 1941 год проводились исследования распространения радиоволн в разнообразных местах. Целью являлось не только определение скорости распространения радиоволн, но и оценка точности такого измерения для решения обратной задачи — определения расстояний до объектов исходя из времени прохождения сигнала. Поэтому исследования носили фундаментальный характер, а авторы использовали новаторские подходы собственной разработки.
Была проделана громадная работа по обеспечению высочайшей точности измерений., в т.ч., например, использовались термостаты, в которые помещались кварцевые генераторы для работы при постоянной температуре 15 градусов. В первых опытах, которые проводили без термостатов, в расчеты вносились поправки на изменение температурного режима.
Измерения скорости распространения радиоволн проводились в разное время дня, в различных условиях местности (море, озеро, равнина, пересеченная местность, горы), на разных расстояниях и с использованием разных длин волн. Для всех измерений проведена оценка величины погрешности.
Были использованы следующие подходы:
Использовалась электромагнитная волна длиной 230м «туда» и когерентная усиленная волна 345 метров «обратно». Также использовались другие пары волн 440м — 660м и 120м — 180м.
Измерения разностей фаз (как и контроль когерентности колебаний) производились по фигурам Лиссажу на экране катодного осциллографа
Следующие факторы были отмечены в исследованиях:
Ночью погрешности измерений были выше дневных, что авторы связывали с действием «небесных лучей»
Над морем погрешность измерений была минимальной даже ночью
Точность измерений по мере усовершенствования подходов увеличивалась. Авторы оценивают расхождения измерений со скоростью света в воздухе в 5*10-3 для экспериментов без термостата (что приводило к относительно высоким погрешностям в частоте и соответственно, длины волны). В последующих опытах удалось достигнуть точности в +‑ 2*10-4, где в формировании погрешности уже имело значение точность определения геодезических измерений расстояний (+-70м).
Таким образом, скорость распространения радиоволн с длиной волны 100–500м составила 299 600 км/с и была измерена с точностью до +‑ 100км/с.
1.2.4. Метод полого резонатора Луи Эссена в 1946–1950 годах (SHF)
В основе метода лежит использование объемного резонатора — замкнутой металлической полости (использовался медный цилиндр), внутри которой возбуждаются стоячие электромагнитные волны.
В полость подаются микроволны. В опытах 1950 года частота составляла около 9,5 ГГц, что соответствует длине волны примерно 3 см.
Когда частота подаваемого сигнала совпадает с собственной частотой полости, возникает резонанс. Частота резонанса жестко связана с геометрическими размерами полости и скоростью распространения волн.
Измерения:
С высокой точностью измеряется резонансная частота f
С помощью интерферометрических методов измеряются внутренние размеры полости L по которым теоретически рассчитывается длина волны
Расчет: Скорость света = частота * длину волны
Эссен достиг значительной точности расчета:
Длина и диаметр цилиндра измерялись с погрешностью менее одного микрона 0,0001 мм
Чтобы исключить влияние воздуха на скорость волн, из полости откачивали воздух. Также Эссен учитывал, что радиоволны проникают на небольшую глубину в металл стенок, что слегка меняет эффективный размер резонатора.
Результат Эссена от 1950 года: 299 792,5 +- 1км/с
1.2.5. Дальнейшие уточнения (SHF, IR)
Кейт Фрум (1958)
Британский ученый использовал микроволновый интерферометр. Его установка была похожа на оптические приборы, но работала на радиоволнах сверхвысокой частоты (72 ГГц). Кейт Фрум получил значение 299 792,5 ± 0,1 км/с, еще сильнее сузив погрешность оценки скорости.
Группа К. Ивенсона (NBS, США, 1972)
Это было самое важное измерение в истории. Группа под руководством Кеннета Ивенсона в Национальном бюро стандартов (NBS) использовала гелий‑неоновый лазер для получения точности измерений на порядки выше предыдущих.
Группа Ивенсона получила следующие данные, которые легли в основу современной физики: Частота 88,376181627 ТГц
Длина волны 3,392231376 мкм
Результат перемножения: 299 792 456,2 ± 1,1 м/с.
Значение: Точность этого измерения была в 100 раз выше всех предыдущих. Погрешность стала настолько мала, что дальнейшее уточнение скорости света потеряло смысл из‑за несовершенства самого эталона метра (того самого металлического стержня в Париже).
Группа Т. Эвенсона (NPL, Великобритания, 1973)
Почти одновременно с американцами британские ученые из Национальной физической лаборатории (где раньше работал Эссен) провели свои измерения лазером и получили результат 299 792 459 ± 0,8 м/с.
Частота 32,176079Тгц
Длина волны 9,317246348мкм
1.3. Итоговая фиксация скорости
В начале 1970-х годов погрешность измерений скорости света вплотную приблизилась к 1 м/с. После проверки и согласования результатов, полученных в различных лабораториях, XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с, с относительной погрешностью (неопределённостью) 4⋅E-9, что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с.
Дальнейшее повышение точности измерений стало невозможным в силу обстоятельств принципиального характера: ограничивающим фактором стала величина неопределённости определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность «изготовления» эталона метра, относительное значение которой составляло 4⋅E-9. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра.
Таким образом, в настоящее время скорость света определена абсолютно точно и составляет ровно 299 792 458 м/с, тогда как метр определён как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды.
В конце XX века классические измерения скорости радиоволн «в вакууме» практически прекратились. Однако ученые переключились на другую критически важную задачу: измерение скорости распространения радиоволн в реальных условиях (атмосфере, ионосфере и космосе).
1.4. Резюме
Сведем данные исследований по определению скорости света середины 20 века и в таблицу:
Выводы:
Выполненные измерения не подтверждают абсолютное равенство скоростей распространения электромагнитных волн разных частот. Отсутствуют измерения скоростей электромагнитных волн разных разных частей спектра, сравнимых по величине погрешности.
Наиболее точные измерения скорости света выполнены в оптическом и ближнем ИК-диапазонах. Это связано с тем, что малая длина волны позволяет с гораздо большей точностью фиксировать интерференционный максимум (или фазовый резонанс), а компактность измерительных установок упрощает создание в них высокого вакуума.
Измерения скорости распространения радиоволн в AM- и FM-диапазонах характеризовались значительными погрешностями. Основными факторами стали неоднородность диэлектрической проницаемости атмосферы, а также ограничения в точности геодезического определения расстояний между передатчиком и приемником.
Совсем не проводились (или не известны) эксперименты по оценке скоростей распространения электромагнитных волн самых низкочастотных диапазонов.
