Эйнштейновская теория относительности - Борн М.
Скачать (прямая ссылка):
означает, что луч света, падающий, например, на пластинку прозрачного шпата, расщепляется на два луча. Гюйгенс обнаружил, что эти два луча отличаются друг от друга и от естественного света. Это можно продемонстрировать с помощью другой пластинки из шпата. Если один луч выходит из первой пластинки и падает на вторую перпендикулярно, то из второй выходят
') Эта фигура получается при вращении эллипса вокруг одной из осей. — Прим. перев. 92
Г л. IV. Фундаментальные законы оптики
два луча. Интенсивность этих последних меняется по мере того, как кристалл поворачивают вокруг оси, совпадающей с направлением падающего луча. В определенном положении интенсивность одного луча может стать даже нулевой (отсутствие двойного преломления). Итак, лучи, расщепленные при двойном преломлении, обнаруживают ориентационные свойства, не наблюдаемые у естественного света. Ньютон отмечал (1717 г.), что не все направления вокруг луча света эквивалентны. Он истолковывал это как аргумент против волновой теории, так как в его время были известны лишь волны сжатия и разрежения (подобные звуковым волнам), в которых частицы колеблются «продольно»— в направлении распространения волны (фиг. 50 и 51). В этом случае, очевидно, ни одна ориентация, перпендикулярная к направлению распространения, не может быть предпочтительной.
§ 3. СКОРОСТЬ СВЕТА
Определение самого главного свойства света, свойства, которое в дальнейшем послужит основой наших последующих рассуждений, именно скорости света, было сделано независимо от противоречий между двумя гипотезами о природе света. Тот факт, что скорость его чрезвычайно велика, был известен из всех наблюдений над распространением света. Галилей предпринял попытку (1607 г.) измерить эту скорость с помощью сигналов фонаря, но попытка оказалась безуспешной, так как свет преодолевает земные расстояния в чрезвычайно короткие промежутки времени. Поэтому такие измерения оказались успешными лишь тогда, когда стали использоваться огромные расстояния между небесными телами в астрономическом пространстве.
Олаф Рёмер (1676 г.) первый вычислил скорость света с из астрономических наблюдений затмений спутников Юпитера. На фиг. 52 изображена ситуация, предшествующая затмению. Затмение имеет место каждый раз, когда спутник Юпитера входит в тень своей планеты. При наблюдении с Юпитера это случается через интервалы г, равные времени обращения спутника вокруг него. Если L — расстояние от Юпитера до Земли, то эти сигналы должны достигать Земли за время Ljc, и если /—изменение L в течение времени т оборота спутника, то земной наблюдатель видит затмения через несколько изменяющийся интервал времени т + //с.
Периоды обращения, наблюдаемые с Земли, оказываются поэтому длиннее или короче истинных (наблюдаемых с Юпитера) в зависимости от того, увеличивается расстояние L или уменьшается. § 3. Скорость света 93
Время, необходимое для п оборотов, при наблюдении с Земли равно
in = nx + ¦?,
где In — полное изменение L в течение этого времени.
Фиг. 52. Исследование Рёмера.
Расстояние между Землей и точкой, где спутник Юпитера входит в тень, равно L. Так как свет распространяется со скоростью с, то при наблюдении с Земли затмение наступает на время Llc позже, чем для наблюдателя на спутнике Юпитера.
Итак, две неизвестные величины ти с можно определить на основе двух правильно подобранных измерений. Во-первых, измеряется число N затмений в интервале времени /„, в течение которого расстояние L между Юпитером и Землей стало снова тем же самым. Поскольку Юпитер движется сравнительно медленно, это время будет составлять примерно около года, т. е. время обращения Земли вокруг Солнца по своей орбите. Тогда /дг = 0 и т = tnjN (где Zjv — примерно один год). Отсюда можно найти т.
Далее подсчитывается число затмений N' в течение полугода, начиная с положения, когда Юпитер наиболее близок к Земле. 94
Г л. IV. Фундаментальные законы оптики
Тогда In' равно диаметру земной орбиты (~ 3 • 108 км) и мы имеем: tn' = Nrx + lN'lc, или
Время задержки tN' — Wt, как было установлено, равно 17 мин -—-1000 сек. Отсюда мы получаем с = 3-IOs км/\03 сек = = 300 000 кмісек. Точная величина, к которой Рёмер близко подошел, равна
с = 299 793 кмісек. (32)
Джеймс Брэдли1) открыл (1727 г.) другой эффект, обусловленный конечностью скорости света, — именно тот факт, что все неподвижные звезды совершают, как оказывается, общее ежегодное движение, представляющее собой, очевидно, одно из проявлений вращения Земли вокруг Солнца. С точки зрения корпускулярной теории очень легко понять происхождение этого эффекта. Мы изложим здесь это истолкование, но мы должны заметить, что именно это явление дает начало ряду трудностей волновой теории, о которой нам предстоит много говорить в дальнейшем.
Мы знаем (гл. III, § 7), что движение, которое представляется равномерным и прямолинейным в нашей системе отсчета S, должно быть таким же в другой системе S', если движение последней поступательно относительно S. Но величина и направление скорости этого движения в двух системах различны. Отсюда следует, что поток частиц света от неподвижной звезды, падающий на Землю, представляется земному наблюдателю идущим в несколько ином направлении. Мы рассмотрим это отклонение, или аберрацию, в частном случае, когда свет падает перпендикулярно направлению движения Земли (фиг. 53). Если Земля покоится, то телескоп должен быть направлен точно на звезду (фиг. 53,а). Но если Земля имеет, например, некоторую скорость V в направлении вправо, то в положении, изображенном на фиг. 53, а, звезду невозможно увидеть в телескоп, так как частицы света, которые достигают объектива, будут падать на стенку трубы телескопа, а не в окуляр. Для того чтобы наблюдать звезду, телескоп необходимо повернуть (фиг. 53,6). Пусть телескоп, на объектив которого падает частица света, расположен в положении 1. Теперь в течение того времени, пока свет проходит расстояние I внутри телескопа за время 1/с, Земля, а с нею и телескоп перемещаются на расстояние v-Цс, достигая положения 2. Частицы света будут попадать в окуляр,
