Перші точні вимірювання швидкості світла: історичний дослід Фізо
- Ігор Сальниченко
- 19 січ.
- Читати 3 хв
Оновлено: 24 січ.
У середині XIX століття питання вимірювання швидкості світла стало одним із ключових у фізиці, адже розуміння природи та швидкості поширення світла впливало на формування як оптичних, так і електромагнітних теорій [3]. Французький фізик Арман Іполіт Луї Фізо (Armand Hippolyte Louis Fizeau, 1819–1896) зумів здійснити лабораторне вимірювання швидкості світла на відносно невеликій відстані [1; 2]. Це відкриття не лише довело, що світло поширюється з кінцевою швидкістю, а й продемонструвало можливість отримання точних результатів у польових наземних умовах. Майстерність і наполегливість Фізо заклали важливий фундамент для подальших досліджень у галузі оптики та електромагнетизму.
Історичний контекст
Задовго до експерименту Фізо астрономи намагалися визначити швидкість світла переважно через космічні спостереження. Найвідомішим був дослід данського вченого Оле Ремера (1644–1710) 1676 року, який виявив, що затемнення одного із супутників Юпітера — Іо — запізнюються залежно від відстані між Землею та Юпітером [3]. Це стало першим доказом того, що світло має скінченну швидкість. Проте на той час усі астрономічні методи характеризувалися значною похибкою, оскільки залежали від неточностей у вимірюванні міжпланетних відстаней, особливостей телескопів і атмосферних умов.
На початку XIX століття інженерно-технічний прогрес дав змогу застосовувати більш прецизійні прилади на землі. Фізики почали робити спроби «наблизити» проблему вимірювання швидкості світла, аби уникнути астрономічних похибок і проводити експерименти у контрольованіших умовах [2]. Саме завдяки цим пошукам Арман Іполіт Луї Фізо вирішив спробувати визначити швидкість світла наземним способом, розрахувавши, за який час промінь подолає певну відстань і повернеться назад.
Суть досліду Фізо
Серцем експерименту Фізо було зубчасте колесо, яке, швидко обертаючись, виконувало роль оптичного затвора [1]. Дослід відбувався між Монмартром і Мон-Валерієном у передмісті Парижа на відстані близько 8,6 км. Світловий промінь, проходячи через проріз між зубцями колеса, рухався до дзеркала на іншому кінці траси, відбивався і повертався назад. Якщо швидкість обертання колеса була такою, що промінь встигав «вписатися» у наступний проріз уже на зворотному шляху, спостерігач бачив світло. Коли ж швидкість збільшувалася і промінь перекривався зубцями, світло «зникало».
Точне визначення кутової швидкості обертання колеса, яка відповідала появі чи зникненню світла, дозволило обчислити час проходження променем подвійної відстані. Знаючи цю відстань та фіксуючи моменти появи-зникнення світла, Фізо міг доволі точно розрахувати швидкість світла. Незважаючи на обмежені тоді технічні можливості, експеримент показав разючу точність і переконливо продемонстрував, що світло не є миттєвим явищем.
Результати та значення
Згідно з вимірюваннями Фізо, швидкість світла у повітрі становила близько 313 300 км/с [4]. Хоча сучасне відоме значення швидкості світла у вакуумі — приблизно 299 792,458 км/с, різниця пояснюється тим, що промінь проходив не у вакуумі, а в атмосфері, а також похибками в інструментах середини XIX століття. Попри це, експеримент довів, що швидкість світла можна виміряти в наземних умовах із прийнятною точністю.
Пізніше Леон Фуко (1819–1868) удосконалив метод, замінивши зубчасте колесо на обертове дзеркало, що дало змогу ще краще контролювати фазу та істотно зменшити похибку [3]. Ці вдосконалення проклали шлях до поглиблених експериментів із дифракцією, інтерференцією та поляризацією світла, а також стали передумовою для формування електромагнітної теорії Максвелла, згідно з якою світло є формою електромагнітного випромінювання.
Вплив на подальші дослідження
Експеримент Армана Іполіта Луї Фізо відіграв визначальну роль у підтвердженні кінцевості швидкості світла, що стало доказом хибності тверджень про миттєве поширення будь-яких хвиль чи польових взаємодій. Окрім того, він прискорив розвиток високоточної оптики, адже успіхи Фізо та Фуко спонукали науковців шукати нові способи вдосконалення механізмів, оптичних систем і методів вимірювання.
Водночас результати експерименту стали поштовхом для створення основ сучасної електромагнітної теорії, оскільки експериментальні дані про швидкість світла підтвердили теоретичні передбачення Джеймса Клерка Максвелла щодо електромагнітної природи світлових хвиль [3]. Саме через це робота Армана Іполіта Луї Фізо виявилася не тільки успішним вимірюванням, а й каталізатором подальшого наукового прогресу, оскільки точні досліди зі швидкістю світла лягли в основу майбутніх великих відкриттів у фізиці.
Джерела:
1. FIZEAU, A. H. L. Sur une expérience relative à la vitesse de propagation de la lumière. Comptes Rendus de l’Académie des sciences, 1849. Режим доступу: https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fizeau/Fizeau_pdf/CR1849_p90.pdf
2. Encyclopaedia Britannica. Hippolyte Fizeau: French Physicist [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://www.britannica.com/biography/Hippolyte-Fizeau
3. BEISER, A. Concepts of Modern Physics: 6th Edition. New York: McGraw-Hill, 2003. Режим доступу: https://openlibrary.org/books/OL3951143M/Concepts_of_modern_physics
4. Wikipedia. Fizeau experiment [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://en.wikipedia.org/wiki/Fizeau_experiment
Comments