Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Если принять скорость света примерно равной 186 000 миль в секунду, то, поскольку коэффициент преломления воды равен 1,33, скорость света в воде получится равной 186 000/1,33 = = 140 000 миль в секунду. Таким же образом, скорость света в стекле с коэффициентом преломления 1,5 равна 124 000 миль в секунду, в то время как в алмазе, коэффициент преломления которого равен 2,42, скорость света падает до 77 000 миль в секунду.

Вещества, у которого коэффициент преломления был бы меньше единицы, пока не обнаружено, и весь предыдущий опыт говорит о том, что такого вещества не существует. Другими словами, в вакууме свет распространяется быстрее, чем в любой материальной среде.

Со времен Фуко в технологию измерения скорости света было внесено много усовершенствований. В 1923 году американский физик Альберт Абрахам Михельсон (1852–1931) применил усовершенствованный аналог установки Фуко и поставил зеркала на расстоянии 22 миль, измерив это расстояние с точностью до дюйма. Еще позже, в 1931 году, он решил устранить помехи, вызываемые воздухом (во-первых, его коэффициент преломления несколько больше 1, а во-вторых, в нем содержится пыль), выкачав воздух из трубы длиной в милю и установив комбинацию из зеркал таким образом, чтобы луч света отражался в одну и в другую сторону, пока не пройдет в вакууме путь длиной в десять миль.

Последние измерения Михельсона свели погрешность измерения скорости света до плюс-минус десяти миль в секунду, но это не удовлетворило физиков. В 1905 году (как мы еще будем иметь возможность удостовериться позднее), скорость света в вакууме была принята за одну из фундаментальных констант Вселенной, поэтому речи не шло ни о какой передышке в процессе установления точной скорости света. После Второй мировой войны были разработаны еще более тонкие способы измерения скорости света, и, наконец, в 1963 году Национальное бюро стандартов приняло следующее значение для с: 186 281,7 мили в секунду.

Для полной точности они приняли это значение в метрической системе, и в ней по любопытному совпадению скорость света оказалась почти круглым числом: 299 792,8 километра в секунду.

Как вы видите, этому значению чуть-чуть не хватает до 300 000 километров в секунду, или 30 000 000 000 сантиметров в секунду. Это последнее значение можно записать как 3∙1010 см/с.

На этой скорости свет проходит от Луны до Земли за 1¼ секунды, а от Солнца до Земли за 8 минут. За год свет проходит 9 450 000 000 000 километров, или 5 900 000 000 000 миль, и это расстояние называется световой год.

Световой год стал удобной единицей измерения в астрономии, поскольку все объекты вне нашей Солнечной системы отделены от нас столь большими расстояниями, что меньшие единицы измерения для них не годятся. Ближайшие к нам небесные тела, составляющие систему альфы Центавра, находятся от нас на расстоянии в 4,3 светового года, а диаметр нашей Галактики составляет около 100 000 световых лет.

Представляя свет как волновое движение, естественно было предположить, что его свойства будут аналогичны свойствам других волн. Австрийский физик Иоганн Кристиан Допплер (1803–1853) указал, что высота звука изменяется при движении источника звука к слушателю. Когда источник звука приближается к слушателю, звуковые волны сгущаются, и за секунду на ухо попадает больше волн.

Это воспринимается как учащение волн, поэтому звук слышится более высоким, чем если бы его источник находился на фиксированном расстоянии от слушателя. По тем же причинам удаляющийся источник звука издает звук более низкий, и гудок поезда, когда поезд проносится мимо, внезапно меняет свой тон с высокого на низкий (см. ч. I).

В 1842 году Допплер выяснил, что этот эффект, эффект Допплера, справедлив и по отношению к световым волнам. В случае приближающегося источника света волны сгущаются, их частота становится более высокой и свет становится более синим. Если же источник света удаляется, волны растягиваются, их частота становится ниже, так что свет становится более красным[89].

Допплер считал, что все звезды излучают белый свет, более-менее ровно распределенный по всему спектру. Он полагал, что красноватые звезды красны потому, что отдаляются от нас, а синеватые — наоборот, приближаются к нам. Это предположение, однако, было легко опровергнуто; в его основе лежало заблуждение о том, что видимый нами свет — это весь существующий свет…

Свет так тесно увязан со зрением, что естественно считать, что если мы ничего не видим, то свет отсутствует. Однако свет может присутствовать в форме волн такой длины, к которой сетчатка нечувствительна. Так, в 1800 году британский астроном Уильям Гершель (1738–1822) проверял, каким образом различные участки спектра влияют на термометр. К своему удивлению, он обнаружил, что максимальное повышение температуры наблюдалось при длине волны ниже красного края спектра, когда глаз ничего не мог увидеть.

После признания волновой теории объяснение оказалось простым. Существуют световые волны длиной более 7600 Å. Волны такой длины не воздействуют на глаз и поэтому невидимы; тем не менее они реальны. Свет с такой длиной волны может поглощаться и обращаться в тепло; таким образом его можно обнаружить. Такой свет обычным образом подвергается преломлению, отражению и так далее, только обнаруживается он специальными теплочувствительньгми приборами, а не глазами. Эти световые волны в том виде, как мы получаем их от Солнца, можно даже разложить на спектр протяженностью от 7600 Å (граница видимой области) до примерно 30 000 Å.

Эта часть спектра носит название «тепловых лучей», потому что была обнаружена по теплу. Однако более правильным является ставшее уже общеизвестным название инфракрасное излучение (ниже красного).

Другой край видимого спектра тоже не является краем в полном значении этого слова. Свет влияет на некоторые химикаты, например вызывает распад хлорида серебра, белой составляющей, и приводит к появлению черных пятнышек на металлическом серебре. Соответственно, хлорид серебра быстро чернеет на свету (и это явление лежит в основе фотографии). По причинам, которых не понимали в 1800 году, но которые были уже объяснены к 1900-му, по мере приближения к фиолетовому краю спектра свет сильнее влияет на потемнение хлорида серебра.

В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) обнаружил, что хлорид серебра темнеет на участке за фиолетовым краем спектра, где никакого света не было видно. Более того, он темнеет быстрее, чем на любом участке видимого спектра.

Так была обнаружена часть спектра, принадлежащая «химическим лучам», или, как их правильнее называть, ультрафиолетовому излучению («выше фиолетового»), длина волны которого менее 3600 А. Даже ранние исследования отодвигали нижнюю границу спектра до 2000 А, а в XX веке были обнаружены еще более короткие волны.