65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
В 1972 году Оле Рёмера (1644–1710), тогда еще молодого датского астронома, пригласили работать в новую Королевскую обсерваторию в Париже, где он более года наблюдал за затмениями Ио. По итогам своих наблюдений Рёмер обнаружил некоторые странности в поведении спутника: периодичность его затмений постоянно менялась. Когда Земля находилась на своей орбите ближе к Юпитеру, затмения Ио происходили чуть раньше рассчитанных. А через полгода, когда Земля, вращаясь вокруг Солнца, удалялась от Юпитера, эти затмения происходили с задержкой, которая достигала 22 минут[11]. Оле Рёмер предположил, что так происходит потому, что свету от Ио приходится преодолевать большее расстояние, когда Земля находится на противоположной стороне своей орбиты. Это открытие было представлено Королевской академии наук и опубликовано 7 декабря 1676 года в старейшем научном журнале мира Journal des Savants.
Зная диаметр орбиты Земли (примерно 300 млн км) и время задержки затмения, можно рассчитать скорость света. Однако сам Рёмер не знал, чему равно это расстояние. Поэтому уже Христиан Гюйгенс использовал данные Рёмера для своих вычислений. В результате он получил хоть и огромное, но все-таки конечное значение 220 000 км/сек.
Примерно через семьдесят лет после публикации работы Рёмера, в 1849 году, другой французский ученый, Арман Ипполит Луи Физо (1819–1896) уточнил значение скорости света уже в земных условиях. Он разработал весьма элегантный способ – так называемый метод прерываний. Физо направлял под углом пучок света на полупрозрачное зеркало (А). Одна часть этого пучка проходило сквозь зеркало (эта часть нам неинтересна), а вторая часть отражалась и направлялась сквозь вращающееся зубчатое колесо (В) на второе, уже обыкновенное зеркало (Б), расположенное на расстоянии 8,6 км от колеса. Отраженный от этого зеркала пучок света проходил обратно сквозь зубчатое колесо (В) и опять попадал на полупрозрачное зеркало (А). Там одна часть этого пучка отражалась (теперь она нам неинтересна), а вторая часть пучка проходила сквозь полупрозрачное зеркало и попадала к наблюдателю.
Разумеется, если при вращении зубчатого колеса пучок света попадал не в промежуток между зубцами, а на сам зубец, то наблюдатель ничего не видел. Поэтому Физо подобрал такую скорость вращения зубчатого колеса, чтобы за то время, пока пучок света шел до зеркала (Б) и обратно, колесо успевало провернуться ровно на одно деление. Зная скорость вращения колеса, размер зубцов и расстояние между ними, Физо смог вычислить значение скорости света. По его подсчетам получилось, что скорость света равна 313 000 км/с.
Еще через год другой французский физик Леон Фуко (1819–1868) немного усовершенствовал этот эксперимент, увеличив точность измерений. Он получил значение скорости света, равное 298 000 км/с, при этом погрешность составила 500 км/с. После этого эксперимент многократно повторялся, видоизменялся, а точность измерений постоянно увеличивалась. Наконец в 1972 году, уже с помощью лазеров, удалось снизить погрешность измерений скорости света приблизилась до 1 м/с и получить значение равное 299 792 458 м/с. Оказалось, что еще больше увеличить точность измерений скорости света невозможно из-за того, что эталон одного метра (металлический брусок из сплава платины и иридия) изготавливался именно с такой погрешностью. Поэтому в 1983 году на XVII Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение отныне в качестве эталона одного метра считать не длину этого бруска, а расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 долю секунды. Так что скорость света равна в точности 299 792 458 м/с.
Конечно, в масштабах Земли это очень большая скорость. Поэтому в повседневной жизни нам кажется, что свет распространяется мгновенно. Действительно, всего за 1 секунду свет может облететь 7,5 раза вокруг Земли (разумеется, при условии, что вам удастся заставить его двигаться именно по экватору). Однако в космических масштабах это уже не такая уж и огромная величина. К примеру, от Солнца до Земли свет идет примерно восемь минут; до Нептуна, самой далекой планеты Солнечной системы, – более четырех часов; а до ближайшей к Солнцу звезды, Проксимы Центавра, – вообще более четырех лет. Так что если вам захочется поговорить с кем-нибудь из этой звездной системы, то придется ждать ответа на каждый свой вопрос более восьми лет: сначала четыре года, пока ваш сигнал дойдет до Проксимы Центавра, и потом еще столько же, пока ответный сигнал вашего собеседника дойдет до Земли. А если мы взглянем на совсем далекие от Земли звезды, то свет от них может идти до нас миллионы или даже миллиарды лет. О таких космических масштабах мы поговорим в главе «Насколько огромна наша Вселенная?» (стр. 320).
Электромагнетизм – вторая из четырех фундаментальных сил, существующих в природе. Это настолько важная сила, что ее влияние на нашу жизнь очень сложно переоценить. Именно электромагнитное взаимодействие создает силы трения и силы упругости, с которыми мы познакомились в предыдущей части книги. Да и любые взаимодействия между отдельными атомами и молекулами также имеют электромагнитную природу. Поэтому практически все химические и биологические процессы управляются этой силой. Благодаря электромагнетизму мы вообще можем видеть, поскольку свет – это один из видов электромагнитных волн. За счет электрической энергии работают все наши бытовые приборы. Поэтому во второй части этой книги мы обсудим электродинамику – раздел классической физики, который описывает электрические и магнитные явления.
Часть 2
Электродинамика
Вопрос 10. Откуда берется электричество и какое оно бывает?
С электричеством мы сталкиваемся практически каждый день, наши дома буквально наполнены всяческими электроприборами: лампы, телевизоры, компьютеры, холодильники, стиральные машины и т. д. И всё это превратится просто в груду бесполезного металлолома, если не будет его – электричества! Но что это такое? Откуда оно берется и как попадает к нам в дом? Давайте разберемся.
Прежде всего следует отметить, что «электричество» – это весьма неоднозначное понятие, и его используют для описания целого класса физических явлений. В обычной жизни мы говорим об электричестве, подразумевая электрический ток в проводах либо статическое электричество – те самые искры, которые возникают, когда
