В 1676 году Рёмер определил, что скорость света должна быть конечной.
Его эксперимент состоял в наблюдении затмений Ио, одного из спутников Юпитера, самим Юпитером. Он рассчитывал эти затмения в течение полугода, начиная с момента, когда Земля была ближе всего, до момента, когда Земля была дальше всего от Юпитера. Поскольку период обращения Юпитера составляет 11,8 года, а Ио — 1,77 дня, движением Юпитера в рассуждениях можно пренебречь.
В конце этого 6-месячного периода Рёмер обнаружил, что затмения задерживаются на 22 минуты по сравнению с тем, что было бы, если бы Ио вращалась вокруг Юпитера с постоянной скоростью. Ремер интерпретировал это как время, за которое свет от Ио проходит расстояние, на которое Земля удалилась от него за полгода.
Чего я не понимаю из этих результатов, так это цифры 22 минуты. Расстояние, которое Земля должна была пройти, в два раза больше расстояния от нее до Солнца, а время, которое потребуется свету, чтобы пройти это расстояние, составляет около 16,67 минут, а не 22. Я не могу придумать физического объяснения такой большой задержке, потому что:
Итак, мой вопрос: почему Рёмер нашел цифру 22 минуты? Я упускаю из виду какую-то часть механики? Или дело в том, что его лабораторное оборудование было очень неточным, потому что это было почти 350 лет назад?
Если верно последнее, могу ли я повторить эксперимент с современным оборудованием и найти разумное значение скорости света? Кто-нибудь сделал это?
Итак, мой вопрос: почему Рёмер нашел цифру 22 минуты? Я упускаю из виду какую-то часть механики? Или дело в том, что его лабораторное оборудование было очень неточным, потому что это было почти 350 лет назад?
Как уже упоминал @AdrianHoward в своем комментарии, основной проблемой было отсутствие точных часов на 1676.
Если верно последнее, могу ли я повторить эксперимент с современным оборудованием и найти разумное значение скорости света?
Да, вы наверняка могли бы повторить эксперимент Рёмера. И вы получите гораздо более точные измерения времени, просто используя радиочасы или компьютерные часы, синхронизированные с NTP .
Кто-нибудь сделал это?
Эксперимент был фактически повторен после изобретения механических высокоточных часов.
Цитата из определения Ремера скорости света - Более поздние измерения :
В 1809 году, снова используя наблюдения Ио, но на этот раз благодаря более чем столетнему все более точным наблюдениям, астроном Жан Батист Жозеф Деламбр (1749–1822) сообщил о времени прохождения света от Солнца до Солнца. Земля как 8 минут 12 секунд. В зависимости от значения, принятого для астрономической единицы, это дает скорость света немногим более 300 000 километров в секунду.
Очень интересна статья в Википедии, на которую Томас Фрич указал, что Рёмер определил скорость света .
Цитата из той статьи:
С Земли невозможно наблюдать и погружение, и появление при одном и том же затмении Ио, потому что то или иное будет скрыто (оккультировано) самим Юпитером. В точке противостояния (точка H на диаграмме ниже) и погружение, и появление будут скрыты Юпитером.
Примерно за четыре месяца после оппозиции Юпитера (от L до K на диаграмме ниже) можно наблюдать появления Ио по ее затмениям, а примерно за четыре месяца до оппозиции (от F до G) возможно чтобы увидеть погружения Ио в тень Юпитера. Около пяти или шести месяцев в году вокруг точки соединения вообще невозможно наблюдать затмения Ио, потому что Юпитер находится слишком близко (в небе) к Солнцу. Даже в периоды до и после противостояния не все затмения Ио можно наблюдать из данного места на поверхности Земли: некоторые затмения будут происходить в дневное время для данного места, тогда как другие затмения будут происходить, когда Юпитер находится ниже горизонт (скрытый самой Землей).
Обычное описание решимости Рёмера состоит в том, чтобы описывать наблюдения именно в идеальных точках: одна, где расстояние Юпитер-Земля максимальное, другая, когда расстояние Юпитер-Земля минимальное.
Понятно, что данные, с которыми работал Рёмер, были вовсе не идеальным случаем. Скорее, у него будет набор наблюдений в период увеличения расстояния между Землей и Юпитером, которые покажут тенденцию к прогрессирующей задержке, и во время уменьшения расстояния между Юпитером и Землей ряд наблюдений с тенденцией к уменьшению задержки.
Кроме того, на орбиту Ио влияют другие спутники Юпитера. Эффект меньше, чем эффект Ремера, но не равен нулю.
Таким образом, вместо прямых измерений Рёмеру пришлось получить результат путем экстраполяции линий тренда.
упрощение
Думаю, можно с уверенностью сказать, что обычное представление случая Ремера для конечной скорости света чрезмерно упрощено.
Упрощение понятно, но у него есть большой минус: ошибка (11 минут против 8 минут) становится необъяснимой.
Мне интересно посмотреть на отношение Ньютона к случаю конечной скорости света. В книге «Оптика» 1704 года Ньютон писал:
Свет распространяется от светящихся Тел во времени и тратит на переход от Солнца к Земле около семи-восьми минут часа. Это наблюдалось сначала Ромером, а затем и другими по затмениям спутников Юпитера.
Ньютон поддерживает случай конечной скорости света. Предположительно, Ньютон имел доступ к более точным данным, что позволило ему дать более точную оценку. Тем не менее, Ньютон не удосужился попытаться получить значение с точностью до секунд. Я предполагаю, что это потому, что с учетом имеющихся данных «семь или восемь минут» были наилучшей возможной оценкой. Я делаю вывод, что даже для Ньютона речь шла не об определении фактического значения скорости света, а о том, конечна ли скорость света или бесконечна.
Также стоит отметить: Ремер охарактеризовал качество каждого из своих измерений в своем журнале, основываясь на атмосферных наблюдениях и других факторах. IIRC, статья на эту тему появилась в Американском журнале физики, где все, что они сделали, это применили собственную методологию Ремера, но выбрали только те измерения, которые сам Ремер классифицировал как хорошие. Это дало значение, которое было удивительно точным. К сожалению, я не могу найти статью в гугле, о ней говорят только люди.
Адриан Ховард
пользователь137661
Qмеханик