Т — интервал времени перемещения второго просвета на место первого является временем, в течение которого свет проходит расстояние L. Скорость находится делением расстояния L на время Т.
А. Физо нашел с = 315 000 км/с.
В проведенном измерении определена только величина скорости света. В последующем эксперименты подтверждали, что скорость света относительно источника равна приблизительно 3·108 м/с, и, в некоторых пределах, связанных с точностью измерений, примерно одна и та же.
3. Измерение скорости света при движении приемника относительно источника
Чтобы проверить, подчиняется ли скорость света классическому закону сложения скоростей, проведем анализ планируемого эксперимента.
На рис. 1 уберем наблюдателя и модулированному зубчатым колесом свету предоставим возможность распространяться далее. Поток света от источника И становится прерывистым, модулированным, а его скорость в вакууме остается прежней (рис. 2).
Рис. 2
Часть модулированного потока света назовем звеном λ, где а — отрезок потока света, б — расстояние между соседними отрезками светового потока.
Длина звена λ равна L. Интервал времени прохождения звена λ через измерительную установку равен Т.
Теперь еще раз измерим скорость модулированного потока света от источника И таким же способом, как на рис. 1, но другой измерительной установкой, которую вместе с наблюдателем поместим на двигающуюся в случае необходимости платформу (рис. 3).
Рис. 3
Обозначения на рис. 3 те же, что и на рис. 1, но для источника на платформе и звеньев света от него — со штрихом.
Первое измерение проводится при неподвижной платформе. Скорости света от источников И и И' равны между собой, λ = λ' и оба источника видны наблюдателю при той же частоте вращения модулятора ω1, что и в предыдущем опыте, только для источника И должна быть соответствующая синхронизация по фазе.
Второе измерение проводится при движении платформы от источника И со скоростью v, третье — при движении с той же скоростью платформы к источнику И.
Во втором и третьем измерениях по принципу относительности Галилея, согласно которому никакими опытами невозможно определить внутри изолированной системы движется ли система равномерно и прямолинейно или покоится, для источника И' ничего не меняется и свет от него должен быть виден наблюдателю по-прежнему.
Если же неподвижный источник И во втором и третьем измерениях на движущейся платформе тоже будет виден наблюдателю так же, как и в первом измерении, то мы получим экспериментальное подтверждение истинности постулата c = const.
Но если движение света подчиняется классическому закону сложения скоростей, то при измерениях на движущейся платформе должны быть следующие результаты для источника И.
а) Измерительная установка движется от источника И, скорость света от него на установке равна разности (с–v). Звено λ проходит через установку за время:
т. е. большее, чем время Т, за которое продолжает проходить звено λ' от источника И',
Так как колесо М вращается с прежней частотой, то поток света от источника И модулируется измерительной установкой на новые звенья:
Длина звена λ2 составляет только часть длины λ, т. е. при уменьшении скорости света относительно установки в её системе звено λ становится «длиннее» равного ему звена λ' на величину
Чтобы звено λ беспрепятственно проходило через измерительную установку и свет от источника И был виден наблюдателю так же, как и при неподвижной платформе, кроме синхронизации фазы необходимо увеличить время перемещения второго просвета на место первого, уменьшая для этого скорость вращения модулятора согласно условию (2). Но тогда нарушается оптимальное наблюдение источника И'.
б) Измерительная установка движется к источнику И, скорость света от него на установке равна сумме (с + v). В этом случае звено λ проходит через установку за время
меньшее, чем Т на величину
Длина вновь модулируемого установкой звена равна
Длина звена λ составляет только часть длины звена λ3, т. е. при увеличении скорости света относительно движущейся установки первоначальное звено λ стало «короче» равного ему звена λ' на величину
Теперь, чтобы продолжить наблюдение свет от источника И по-прежнему, частоту вращения модулятора следует увеличить согласно условию (6), но в этом случае вновь нарушится наблюдение источника И'.
Такими должны быть экспериментальные результаты по измерению скорости света при взаимном движении источника и приемника в случае подчинения движения света классическому закону сложения скоростей.
Интересен смысл формул (4) и (8). Звено λ в системе наблюдателя остается таким же, как и в системе излучателя. Но при измерении его длины, так же как и длины аналогичного ему звена λ' от неподвижного источника, по времени прохождения мимо наблюдателя звено λ становится «длиннее», когда источник удаляется, или «короче», в случае приближения, равного ему звена λ'!
Прямое измерение линейных размеров проводится методом наложения эталона длины на протяженное тело. В случае измерения длины движущегося объекта (потока света, поезда) вступает в силу косвенный способ — вычисление длины по времени прохождения тела при известной скорости.
Эффект изменения длины звена как следствие изменившейся величины скорости света является кажущимся, он вызван способом нашего измерения. В дальнейшем изложении термины изменения длины звена применяются с учетом данного замечания.
Для наглядности рассмотрим пример. Два поезда на параллельных путях движутся в одном направлении. В течение одной минуты мимо наблюдателя в первом поезде прошло 20 вагонов, а во втором 15. Это может быть результатом двух причин: разными скоростями поездов или различным типом вагонов. Предположим, что тип вагонов один и тот же, тогда наше наблюдение есть результат разной скорости поездов.
Сравнивая планируемые измерения с фактически проведенными наблюдениями и опытами, находим, что скорость света действительно подчиняется классическому закону сложения скоростей.
4. Астрономические наблюдения и лабораторные эксперименты, подтверждающие классический закон сложения скоростей для света
4.1. Наблюдения Олафа Рёмера
Природа облегчила нам проведение так необходимого эксперимента, предоставила модулированный источник света и движущуюся платформу.
В 1676 г. в Парижской обсерватории датский астроном О. Рёмер, наблюдая за планетой Юпитер и его спутниками, заметил, что время полного обращения спутника Ио вокруг Юпитера, определяемое по моменту выхода (или входа) спутника из тени Юпитера, периодически изменяется. Периодичность оказалась связанной с движением Земли по орбите вокруг Солнца [5, с. 414].
В момент максимального сближения Земли с Юпитером (рис. 4), в положении I, период Ио — Т1 = 1,77 суток = 1,5·105 сек.
Рис. 4
При движении Земли к положению II период Т1 начинает увеличиваться и достигает своего максимума T2 в положении II, после чего уменьшается и становится опять равным Т1 в положении III, т. е. Т1 = Т3. Но уменьшение здесь не заканчивается, а продолжается до положения IV, где период Т4 приобретает минимальное значение. Затем происходит его увеличение до величины в первоначальном положении I. Максимальное приращение периода Ио ΔТ2 = 15 с, примерно такое же и максимальное уменьшение — ΔТ4 = 15с. Во всех остальных промежуточных положениях Земли на орбите изменения периода Ио пропорциональны составляющей скорости Земли относительно Юпитера по прямой Земля-Юпитер. Период увеличивается, если Земля удаляется от Юпитера, и уменьшается при приближении к Юпитеру. Так как угловая скорость обращения Юпитера вокруг Солнца много меньше угловой скорости Земли (год Юпитера равен почти 12 земным годам), то в течение года взаимное положение Земли и Юпитера меняется незначительно и не оказывает заметного влияния на описываемый эффект.
