Эта книга посвящена истории определения скорости света, которая охватывает около трех столетий. Ее начало связано с постановкой, казалось бы, частного вопроса: конечна или бесконечна скорость света? Ответ на этот вопрос был найден уже в XVII в., и с тех пор проблема измерения скорости света привлекает внимание ученых. Постепенно скорость света превращалась из заурядной оптической константы в фундаментальную постоянную, играющую важнейшую роль в физике. Многочисленные опыты по измерению этой постоянной наглядно подтверждают глубокую мысль А. Эйнштейна: «Наука не является и никогда не будет являться законченной книгой. Каждый важный успех приносит новые вопросы. Всякое развитие обнаруживает со временем все новые и более глубокие трудности». Причина, по которой определение скорости света интересует ученых и в наши дни, состоит в том, что скорость света в вакууме — постоянная, входящая в математические выражения законов, относящихся ко многим разделам физики.
Итак, герой этой книги — скорость света, много раз ставившая перед учеными сложные и принципиальные вопросы и дарившая исследователям радость открытия.
Автор хотел бы выразить искреннюю благодарность A. А. Гурштейну, М. М. Дагаеву, Е. М. Кляусу, Н. Н. Малову и Е. И. Погребысской, ознакомившимся с книгой в рукописи. Их замечания способствовали ее значительному улучшению. Особо признателен автор B. А. Фабриканту, чьи советы и замечания очень помогли в работе над книгой.
С. Филонович
«...То, что скорость света является категорией, недоступной человеческому воображению, и что, с другой стороны, ее возможно измерить с необыкновенной точностью, делает ее определение одной из самых увлекательных проблем, с которыми может столкнуться исследователь.»
А. Майкелъсон
Одна из характерных черт физики — количественный характер ее законов: говорим ли мы о законе Ома или законах Ньютона, законе всемирного тяготения или законе Кулона — всегда выражением закона оказывается математическое соотношение между физическими величинами. Во многие соотношения, выражающие законы физики, входят некоторые постоянные — так называемые физические константы. Это, например, гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения, удельная теплоемкость в уравнении теплового баланса, скорость света в законе Эйнштейна, связывающем массу тела и его полную энергию. Многие физические постоянные названы так весьма условно. Действительно, нагревается вместо воды спирт, и в соответствующих уравнениях приходится использовать иную величину теплоемкости. Такими «относительными» постоянными являются коэффициент трения, удельное сопротивление, плотность и т. д. Но есть и константы, которые не меняют своего значения. Гравитационная постоянная не зависит от того, взаимодействуют ли тела из свинца или из стали. Электроны в меди и золоте имеют одинаковый заряд (кстати, этот факт еще не так давно — в начале XX в. — был предметом экспериментальной проверки). Так же универсальна и постоянная с — скорость света в вакууме. Именно вследствие своей универсальности такие константы названы
мировыми, или фундаментальными постоянными Величины фундаментальных постоянных определяют важнейшие особенности всего физического мира — от элементарных частиц до крупнейших астрономических объектов.
Принадлежность скорости света к весьма небольшой группе мировых постоянных объясняет интерес к этой величине. Однако надо признать, что даже в этой группе она занимает выдающееся место. Скорость света связана с физическими законами, относящимися к самым, казалось бы, далеким разделам физики. Постоянная с входит в преобразования Лоренца в специальной теории относительности, она связывает электрическую и магнитную постоянные: с= (еоро)~1/2- Формула Эйнштейна Е — тс2 позволяет рассчитать количество энергии, выделяющейся при ядерных превращениях. И везде мы сталкиваемся со скоростью света с.
Такая распространенность константы с служит для современной физики ярким проявлением единства физического мира и правильности пути, по которому развивается наука о природе. Понимание этого единства пришло не сразу. Со времени первого определения значения с прошло более трехсот лет. Постепенно константа с раскрывала перед учеными свои тайны. Иногда за измерениями этой величины стояли годы целенаправленных поисков, работы по усовершенствованию методов измерения и научных приборов. Иногда величина 3-108 м/с возникала в экспериментах неожиданно, ставя перед учеными вопросы, касавшиеся самых глубин физической науки. Измерения с опровергали и подтверждали физические теории и способствовали прогрессу техники. Без преувеличения можно сказать, что история определения скорости света представляет собой «малую историю физики». И эта история не закончена! Давайте проследим, как и зачем измерялась скорость света, попытаемся понять, каково значение этой величины для физической науки.
ГЛАВА I
РОЖДЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
История, о которой мы хотим рассказать, начинается в Италии в 30-е годы XVII в. На страницах одной из книг того времени описана беседа трех ученых мужей: Сальвиати, Сагредо и Симпличио. Одним из вопросов, привлекших их внимание, оказалось плавление металла под действием сфокусирозанных солнечных лучей. Очень скоро от этой частной задачи они перешли к более общей — движению света.
сСальвиати. Мы видим, что горение и плавление происходит в других случаях при участии движения н притом весьма быстрого: сюда относят действие молнии, действие пороха в минах и петардах и, наконец, ведь посредством раздувания мехами угольного огня, смешанного с плотными и нечистыми газами, усиливается расплавление металла. Поэтому я не думаю, чтобы и действие света, хотя бы и чистейшего, могло происходить без участия движения, и притом быстрейшего.
Сагредо. Но какого рода и какой степени быстроты должно быть это движение света? Должны ли мы считать его мгновенным же или 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 большие промежутки времени, нежели свет; но это нисколько не убеждает меня е том, что рас-
пространение света происходит мгновенно и не требует известного, хотя и малого времени. Не более того дает мне и другое наблюдение, которое выражают так: «Как только Солнце поднимается на горизонте, блеск его тотчас же достигает наших очей». В самом деле, кто же может доказать мне, что лучи его не появились на горизонте ранее, нежели дошли до наших глаз?
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, потому что достаточно быстрое движение звука заставляет уже предполагать, что движение света должно быть крайне быстрым. Опыт, который я придумал, заключается в следующем. Два лица держат каждый по огню, заключенному в фонаре или в чем-либо подобном, который можно открывать и закрывать движением руки на виду у компаньона; став друг против друга на расстоянии нескольких локтей, участники начинают упражняться в закрывании и открывании своего огня на виду у компаньона таким образом, что как только один замечает свет другого, так тотчас же открывает и свой. После многократных повторений такого упражнения достигается такое соответствие, что открытию одного огня без чувствительной ошибки немедленно отвечает открытие другого, так как тот, кто открывает свой свет, видит в тот же миг появление света своего компаньона. После подобных упражнений на малом расстоянии два упомянутых компаньона помещаются вместе со своими огнями в расстоянии двух или трех миль друг от друга и, выждав ночи для производства опыта, начинают внимательно наблюдать, получается ли ответ на открытие и закрытие огня с тою же быстротою, что и на близком расстоянии; если это так, то можно с достоверностью заключить, что распространение света происходит мгновенно; если бы для него требовалось время, то расстояние в три мили, пробегаемое светом от одного источника до глаза другого участника и обратно. было бы достаточным, чтобы обнаружить известное запоздание. Если бы пожелали производить наблюдение при еще большем расстоянии, хотя бы в восемь или десять миль, то можно было бы воспользоваться телескопами, поставив лиц, производящих опыт, в таких местах, где ночью зажигались бы огни, хотя и незаметные для простого глаза благодаря малой их величине, но открытие и закрытие которых могло бы быть удобно наблюдаемо при помощи телескопа.
Сагредо. Опыт кажется мне столь же надежным, сколь и остроумным. Но скажите, каков же оказался его результат?
Сальвиати. Мне удалось произвести его лишь на малом расстоянии, — менее одной мили, — почему я и не мог убедиться, действительно ли появление противоположного света созершается внезапно. Но если оно происходит и не внезапно, то во всяком случае с чрезвычайной быстротой, почти мгновенно; я могу сравнить его с движением света молнии, который мы видим в облаках с расстояния в восемь — десять миль. Здесь мы различаем самый источник, начало и конец света в определенных местах тучи, хотя распространение света на все окружающее следует немедленно же. Это кажется мне доказательством того, что явление совершается с затратою времени, хотя и малого, потому что если бы свет молнии возникал во всех частях сразу, а не постепенно, то, думается, мы не могли бы различить ее источника, центра ее сияния и разветвлений».
Этот разговор происходил между героями книги великого итальянского ученого Галилео Галилея (1564 — 1642) «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению», написанной в 1638 г.
Сальвиати — выразитель взглядов самого Галилея. Роль Сагредо состоит в постановке вопросов, на которые отвечают Сальвиати и Симпличио; он же оценивает мнение своих собеседников с точки зрения здравого смысла. Симпличио, имя которого в переводе с итальянского означает «простак», — перипатетик, т. е. сторонник господствовавшего в то время в науке учения древнегреческого ученого Аристотеля (384 — 322 до н. э.). Весь ход беседы, искусно построенной Галилеем, убеждает читателей его книги в ошибочности взглядов перипатетиков и показывает преимущества нового метода познания природы, основа которого — опыт. Именно опыт и только он, по мнению Сальвиати и Сагредо (а, значит, и самого Галилея), может дать ответ на вопрос о том, конечна или бесконечна скорость света.
Вопрос о скорости света относится к оптике, которая во времена Галилея считалась одним из важнейших разделов «натуральной философии» — так называли тогда физику. К началу XVII в. значительное развитие получила геометрическая оптика. Закон отражения света был известен еще со времен Евклида (IV в. до н. э.). С помощью этого закона был решен ряд задач, связанных с отражением света от зеркал различной формы. Античные ученые были знакомы и с явлением преломления света. В Средние века люди начали исправлять недостатки зрения с помощью очков. В самом начале XVII в. были созданы зрительные трубы, которые использовались для нужд мореплавания, военного дела и для астрономических наблюдений. Около 1620 г. был открыт закон преломления света, ставший основой для расчета зрительных труб. Таким образом, разделы оптики, которые непосредственно были связаны с нуждами практики, сравнительно быстро прогрессировали.
В то же время вопрос о природе света был крайне запутан. Многие 5ченые даже считали, что природа света — это предмет изучения не физики, а философии, и поэтому сознательно его не рассматривали (так поступил, например, при подготовке своих оптических работ И. Кеплер). Эта точка зрения представляется вполне обоснованной: экспериментальная база оптики была еще столь примитивной, а объем знаний, относящихся к физической оптике, столь ничтожен, что вряд ли можно было ожидать появления удовлетворительных гипотез о природе света. Явления интерференции, дифракции, поляризации были открыты лишь во второй половине XVII в. Методы оптических измерений находились в начале своего развития.
Вопрос о скорости света допускал два подхода. С одной стороны, величина скорости света определяется его природой, и без знания этой природы трудно прийти к однозначному выводу о том, конечна или бесконечна эта величина. С другой стороны, как следует из гипотетического опыта Галилея, даже не зная истинной природы света, можно попытаться заставить опыт разрешить эту проблему.
Обратили ли вы внимание на то, что опыт Галилея — качественный? В отрывке из «Бесед» речь идет лишь о том, мгновенно ли распространение света или
он «распространяется во времени». Другим этот опыт и быть не мог: методы физических измерений были еще очень несовершенны. Напомним, что в первых опытах по механике Галилей для измерения времени использовал удары собственного пульса. Хотя впоследствии Галилей применил более надежный измеритель времени — водяные часы, он, по-видимому, сознавал невозможность измерения скорости света с помощью имевшихся в то время средств.
Однако и постановка качественного опыта не всегда приносит успех в решении физической задачи. Качественный опыт становится доказательным лишь при определенных количественных соотношениях между величинами, которые характеризуют исследуемое физическое явление. В опыте Галилея определяющим является соотношение между временем реакции человека и задержкой во времени вследствие распространения света с конечной скоростью. В той форме, в какой опыт был предложен Галилеем, он не удался ни самому авто-РУ ни его последователям из флорентийской Академии Опытов, производившим опыт на больших расстояниях между наблюдателями, чем Галилей. Сделать необходимые оценки до опыта, как это делают современные физики, Галилей не мог, поскольку физики еще не имели масштаба величин, необходимого для высказывания более или менее правдоподобного предположения о величине скорости света. Наибольшая скорость, с которой к моменту выхода в свет книги Галилея столкнулись ученые, — это скорость звука в воздухе, составляющая около 330 м/с. Вряд ли следует обвинять ученых — современников Галилея в том, что у них не хватило смелости предположить, что скорость света почти в миллион раз больше скорости звука!
Однако пытливая человеческая мысль никогда не останавливается перед трудностях. Ученые формулируют гипотезы даже в том случае, если в данный момент их невозможно проверить. Бывает так, что з споре вокруг ошибочной гипотезы рождается истина, которая без этого спора могла бы еще многие годы оставаться неизвестной.
Именно такую парадоксальную роль сыграла теория света, предложенная выдающимся французским философом Рене Декартом (1596 — 1650). Время подтвердило правильность всего лишь двух фрагментов его трудов по оптике: формулировку закона преломления и объяснение радуги. При этом выяснилось, что закон преломления был сформулирован ранее и независимо голландцем В. Снеллиусом (1580 — 1626), а вывод этого закона, предложенный Декартом, оказался просто неверным. И все же роль Декарта в истории оптики и, в частности, в истории определения скорости света очень велика.
Согласно представлениям Декарта свет — это воздействие, распространяющееся мгновенно в разреженной материи, заполняющей поры тел. Для объяснения отражения и преломления света Декарт использовал аналогию между распространением света и движением мяча после удара ракеткой*). Свои взгляды на природу света Декарт подробно изложил в трактате «Рассуждение о методе, чтобы хорошо направлять свой разум к отыскивать истину в науках». Вот как, например, Декарт описывал явление преломления света:
«Кстати, эти лучи (света. — С. Ф.), когда они проходят только через одно прозрачное однородное тело, должны представляться в виде прямых линий; однако если лучи наталкиваются на другие тела, они отклоняются или задерживаются таким образом, как видоизменяется движение мяча либо камня, брошенных в воздух, из-за препятствий, встреченных ими... Чтобы полностью объяснить это третье сравнение, необходимо обратить внимание на то, что тела, встреченные мячом, пролетающим в воздухе, бывают мягкими, твердыми или жидкими; если тела мягкие, они останавливают и совершенно затормаживают движение мяча, например, когда он ударяется о материю, песок, грязь; если тела твердые, они сразу отбрасывают его в другую сторону, причем несколькими разными способами, что зависит от их поверхности... Наконец, заметьте, если мяч во время движения встречает под косым углом поверхность жидкого тела, через которое он может пройти более или менее легко по сравнению со средой, откуда мяч выходит, он отклоняется и меняет свое направление при проникновении: например, коль скоро мяч, находящийся в воздухе, в точке А (рис. 1), толка-
*) Впервые аналогию между движением света и брошенного тела рассмотрел знаменитый арабский оптих XI в. Ибн аль-Хайсам (латинизированное имя — Альгазен), который, кстати, первым предложил метод разложения скорости тела на компоненты.
ЮТ к в, он движется прямолинейно от А до В, если только его вес или какая-либо другая особая причина не помешает этому; но находясь в точке В, где мяч встречает поверхность воды BE, он отклоняется и направляется в I, идя опять прямолинейно от В к /, что легко проверить опытом».
Предположения Декарта о движении мяча, аналогичном движению света, на основе которых он выводит закон преломления, сводятся к следующему. Движение мяча характеризуется величиной к направлением, т. е. вектором, и при переходе мяча из одной среды в другую составляющая движения (понимай, скорости), параллельная границе раздела, не меняется. Кроме того, Декарт полагал, что, попадая на границу раздела, мяч-свет при переходе в более плотную среду увеличивает нормальную к поверхности компоненту скорости. Таким образом, чтобы получить правильную форму закона преломления, Декарт был вынужден предположить, что скорость сзета в более плотной среде больше, чем в менее плотной. Внимательный читатель, наверное, уже удивился: если скорость света считается бесконечной, то какой смысл имеет последнее утверждение? На это противоречие ученые обратили внимание еще при жизни Декарта. Парадокс Декарта имеет еще одну сторону, а именно: как раскладывать на составляющие бесконечную величину?
Итак, подход Декарта к рассмотрению преломления противоречил основным положениям его же теории света. Несмотря на это, закон преломления прекрасно описывал данные опыта. Такое положение не могло удовлетворить ученых, и они старались найти непротиворечивый вывод закона. Центральное место в решении этой проблемы занимал вопрос о скорости света.
Декарт пытался решить задачу, используя конкретное представление о природе света. Перед его оппонентами было два пути. С одной стороны, можно было попытаться вывести закон преломления, не выдвигая гипотезы о природе света. С другой стороны, не исключена возможность, что иная гипотеза позволит сделать вывод этого закона непротиворечивым. Развитие событий показало, что были реализованы обе возможности.
Первая, связанная с отказом от гипотезы о природе света, привела к формулировке знаменитого «принципа Ферма», или, как его еще не совсем точно называют, «принципа наименьшего времени». Его история такова.
В первой половине XVII в., когда не существовали еще научные журналы, ученые обменивались сообщениями о полученных ими результатах с помощью переписки. В эти годы выдающуюся роль в обмене научной информацией играл французский монах и ученый Марен Мерсенн (1588 — 1648). Он вел переписку почти со всеми видными учеными своего времени: Р. Декартом, X. Гюйгенсом, Б. Паскалем, Э. Торричелли, П. Ферма — сохранились письма Мерсенна к 78 корреспондентам. Особое значение имела его переписка с учеными, мало и медленно публиковавшими результаты своих исследований. В таких случаях Мерсенн сообщал об этих результатах заинтересованным лицам. Так, еще до выхода в свет «Рассуждения» Декарта Мерсенн послал первые главы этой работы выдающемуся французскому математику Пьеру Ферма (1601 — 1665), интересуясь его мнением о них. Ферма очень скоро дал ответ, справедливо указав на противоречия, содержавшиеся в работе Декарта. В частности, он высказал сомнения в том, можно ли распространять свойства тел, движущихся с конечной и переменной скоростью, на свет, скорость которого Ферма, как и Декарт, считал бесконечной.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
