Оле Кристенсен Ремер, подтверждение конечности скорости света

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского

Физический факультет

Кафедра электроники твердого тела

РЕФЕРАТ

«Оле Кристенсен Ремер,

подтверждение конечности скорости света»

Выполнил

студент магистратуры

1-го года обучения

Михайлов Алексей Николаевич

Нижний Новгород

2000 г.

Содержание.

Исторические предпосылки рассмотрения вопроса о конечности скорости света.------------------------------------------------------------------	3
Проблема конечности скорости света. ------------------------------------	5
Биография и деятельность ученого.----------------------------------------	6
Доказательство конечности скорости света. -----------------------------	9
Реакция на открытие Ремера в мировой науке того времени. --------	11
Литература. ---------------------------------------------------------------------	12

1. Исторические предпосылки рассмотрения вопроса о

конечности скорости света.

XVI век, по праву считающийся веком великих географических открытий, не только обогатил сокровищницу человеческих знаний о Земле, но и поставил перед исследователями новые практические проблемы. Значительно расширившаяся практика мореплавания требовала разработки быстрого и надежного способа определения широты и долготы точек на поверхности Земли. Широту места по высоте Солнца в полдень умели определять уже в III веке до н. э., а вот проблема нахождения долготы многие столетия не находила удовлетворительного практического решения, хотя принцип определения долготы был известен издавна: географическая долгота равна разности местного времени данного пункта и местного времени на исходном, принятом за нулевой меридиане. Идея кажется очень простой и является основой для определения долготы и в наше время. Для ее применения на практике требуется лишь, чтобы в распоряжении мореплавателей были часы, которые, будучи установлены в порту с известной долготой, в течении длительного времени сохраняли равномерность хода. В любой точке Земли местное время можно определить с помощью астрономических наблюдений. Сравнение местного времени, определенного из наблюдений, и показаний часов позволяет найти долготы места, в котором находится наблюдатель. Однако в XVII в. еще не были созданы достаточно точные хронометры, и ученые должны были искать другой, обходной путь решения проблемы.

Идея этого «обходного» решения такова: если найти астрономическое явление, достаточно часто повторяющееся, время наступления которого в пункте отсчета долготы было бы известно и занесено в таблицы, то определив местное время в пункте наблюдения в тот же момент, можно было бы определить долготу.

О важности этой проблемы можно судить хотя бы по тем суммам вознаграждения, которые предлагались за решение проблемы: испанский король Филипп III в 1604 г. предлагал 100000 экю, Генеральные штаты Нидерландов в 1606 г. назначил премию в 100000 флоринов, несколько позже Людовик XIV, король Франции, ассигновал для этой цели 100000 французских ливров, а английский парламент – 20000 английских фунтов. Естественно, что задача привлекала внимание многих ученых и любителей. Отметим, что работа над созданием и совершенствованием маятниковых часов, которой длительное время занимался Христиан Гюйгенс, была в значительной мере стимулирована этой проблемой.

Однако многие ученые того времени считали более перспективным чисто астрономический способ. Одним из астрономических явлений, подходящих для определения долготы, по их мнению, были затмения спутников Юпитера. Эти затмения в XVII веке привлекали не меньшее внимание астрономов, чем исследование квазаров в наши дни. Спутники Юпитера были открыты в 1610 г. Галилео Галлеем с помощью созданной им зрительной трубы. Галлей обнаружил четыре спутника, получившие названия в порядке удаления от Юпитера: Ио, Европа, Ганимед, Каллисто; всего же на сегодняшний день известно 16 спутников Юпитера. С точки зрения задачи определения долгот наиболее интересным оказался первый спутник – Ио. Период его обращения вокруг Юпитера составляет около 42,5 часа; периодически Ио, как и другие спутники, заходит в тень планеты и перестает быть видимым с Земли – наступает его затмение.

Как уже говорилось, для использования затмений при определении долготы требовалось составить подробные таблицы затмений, наблюдаемых в каком-то определенном пункте. Эту задачу и поставили перед собой два астронома, работавшие во второй половине XVII в. в Парижской обсерватории, - Жан Пикар (1620 – 1682) и Джовани Доменико Кассини (1625 – 1712). Кассини, по происхождению итальянец, некоторое время работал на родине, в Болонье. Именно там ему удалось составить и опубликовать первые удовлетворительные таблицы движений спутников Юпитера. Вскоре после этого, в 1668 г. Людовик XIV пригласил Кассини возглавить только что построенную им Парижскую обсерваторию. К моменту прибытия Кассини в Париж там уже работал Пикар, которому принадлежат первые наблюдения спутников Юпитера, выполненные в Париже. На новом месте Кассини продолжил наблюдение спутников.

В Парижской обсерватории занимались очень широким кругом проблем, анализировали полученные другими астрономами результаты, вели большую издательскую деятельность. В рамках обширной программы исследований была запланирована поездка в Данию, имевшая целью уточнить географические координаты знаменитой обсерватории Тихо Браге (1546 – 1601), где этот выдающийся датский астроном провел большинство своих наблюдений. Необходимость такого уточнения диктовалась тем, что без надежного знания координат обсерватории невозможно пользоваться данными наблюдений. Кроме того парижские астрономы хотели провести одновременные наблюдения затмений первого спутника Юпитера в Париже и на острове Вен, где находилась обсерватория Браге. Выполнение этой задачи было поручено Пикару. В июле 1671 г. он отбыл из Парижа в Копенгаген.

В то время европейской известностью пользовался профессор математики Копенгагенского университета Эразм Бартолин (1625 – 1698). В историю науки он вошел прежде всего благодаря открытию в 1669 г. двойного лучепреломления в исландском шпате. Естественно, что Пикар по приезде в Копенгаген обратился за помощью в осуществлении задуманного французскими астрономами проекта именно к Бартолину. На остров Вен они отправились вместе; их сопровождал молодой человек, ученик Бартолина, Олаф Ремер. Этому начинающему ученому и суждено было сыграть главную роль в истории первого определения скорости света.

2. Проблема конечности скорости света.

Первая половина XVII века характеризовалась организационным становлением науки. В это время появляются первые научные журналы, образуются научные общества и академии. От ученых – членов этих академий – требовалось в первую очередь решение актуальных практических задач.

Вопрос о том, конечна или бесконечно велика скорость света, начал широко обсуждаться именно в этот период времени. С одной стороны, это было связано с развитием оптики и попытками выяснить природу света, а с другой стороны – со стремлением к решению физических проблем путем постановки количественных экспериментов. В 1638 г. Г. Галлей в книге «Беседы и математические доказательства ...» устами своих героев обсудил этот вопрос и предложил схему эксперимента для определения скорости света. На практике опыт, проведенный по схеме Галлея, не дал определенных результатов, однако Галлей, будучи сторонником представлений о конечности скорости света, справедливо указал, что при усовершенствовании методики проведения опыта его исход может оказаться другим. Значительным событием в истории физики стала теоретическая дискуссия между П. Ферма и Р. Декартом (а также его последователями) о скорости света, приведшая Ферма к выдвижению «принципа наименьшего времени» для описания распространения света. Ясно, что с помощью экспериментальной техники XVII в. измерение скорости света в земных условиях было невозможно. Поэтому совершенно естественно, что доказательство конечности света и первая оценка ее величины были получены в астрономии. Автором этого доказательства и был датский ученый Олаф Ремер.

Биография и деятельность ученого.

Олаф (Оле) Ремер родился в местечке Ааргузе в Ютландии 25 сентября 1644 г. в семье не очень удачливого купца. Начальное образование мальчик получил в местной соборной школе, а с 1662 г. продолжил учебу в Копенгагенском университете. Сначала он изучал медицину, а затем стал учеником Эразма Бартолина, под руководством которого занялся физикой и астрономией. Отношения ученика и учителя были весьма близкими: Оле жил в доме Бартолина, а через некоторое время стал его зятем.

К
тому времени, когда Пикар прибыл в Данию, обсерватория Браге была почти полностью разрушена. Тем не менее, с помощью искусных помошников Пикару удалось провести запланированные наблюдения. На французского астронома, по-видимому, произвели большое впечатление энергия и способности молодого датчанина. В 1671 г. Пикар решил пригласить его во Францию для работы в Парижской обсерватории. Ремер принял приглашение Пикара. После переезда в Париж, кроме непосредственных обязанностей сотрудника обсерватории, на него возлагается еще одно ответственное поручение – обучение математике наследника французского престола. Но этим не ограничивается деятельность Ремера. В Париже он занимается разнообразными инженерными проблемами, в частности, участвует в устройстве фонтанов в Версале и Марли. В области астрономии получают известность изобретенные им планисферы – модели, с помощью которых можно было проследить за движением одного небесного тела вокруг другого; планисфера Юпитера (Йовилабиум) сыграла значительную роль в определении нерегулярностей в видимых движениях спутников Юпитера. Для измерения угловых расстояний между близкими небесными объектами Ремер усовершенствовал микрометр (рис.1).

Его прибор представлял собой систему из двух рамок, с натянутыми на них нитями (А). При измерениях одна рамка (LQ) оставалась неподвижной, а вторая (PQ) перемещалась с помощью винта Н. Смещение нитей подвижной рамки определялось по шкале, нанесенной на винт. Высокая точность измерений достигалась благодаря использованию двух систем нитей. По своим качествам этот микрометр настолько превосходил использовавшиеся до этого измерители малых смещений, что очень скоро стал общеупотребительным. Одним словом, в Париже Ремер сразу приступил к активной научной работе. Будучи сотрудником Кассини, он неизбежно занялся решением задач, интересовавших руководителя обсерватории. Одной из таких задач, как мы помним, было составление таблиц движения спутников Юпитера.

Проблемой движения спутников Юпитера интересовался не только Кассини, но и его племянник Ж.Ф. Маральди. Именно Маральди ввел в научный обиход термин «неравенство», обозначавший какое-либо отклонение видимого движения планет от периодичности. Именно он различал «первое неравенство», являвшееся следствием эллиптичности орбиты планеты, и «второе неравенство», которое обусловлено тем, что наблюдение ведется не с Солнца, а с Земли. Пользуясь этой классификацией, Кассини в августе 1675 г. высказал предположение, что «второе неравенство (в движении первого спутника Юпитера) может быть обусловлено тем, что свету требуется некоторое время, чтобы дойти от спутника до нас, и ему требуется от десяти до одиннадцати минут, чтобы пройти расстояние, равное половине диаметра земной орбиты». Так что же, загадка скорости света была разгадана? Но тогда причем здесь Ремер? Вопросы вполне справедливые, они не раз возникали у историков науки.

Гипотеза Кассини не привлекла внимание ученых. Кассини по отношению к собственной идее проявил беспринципность, которая, следует отметить, была характерной для всей его научной деятельности. По иронии судьбы глава одной из крупнейших обсерваторий мира по всем важнейшим астрономическим вопросам того времени придерживался ошибочных взглядов. Кассини не настаивал на своей (правильной!) гипотезе. Более того, когда Ремер подтвердил ее наблюдениями и расчетом, Кассини от нее отказался и стал одним из самых упорных противников Ремера. Такой ход событий позволяет предположить, что замечание Кассини было более или менее случайным, а гипотеза – лишь одной из многих, приходивших ему в голову. Ремер вел себя иначе.

Проанализировав результаты многолетних наблюдений, датский астроном в сентябре 1676 г. выступил перед членами Парижской Академии наук с докладом, в котором предсказал, что затмение первого спутника Юпитера, которое должно было по расчетам произойти 9 ноября того же года в 5 ч. 25 мин. 45 с., в действительности будет наблюдаться на десять минут позже. Это запаздывание он объяснил конечностью скорости распространения света: по мнению Ремера, свету необходимо около 22 минут, чтобы пройти расстояние, равное диаметру земной орбиты. Наблюдение ноябрьского затмения блестяще подтвердило предсказание ученого. Это дало ему возможность выступить 21 ноября того же года с докладом о своих наблюдениях и выводах из них. В декабре изложение доклада было напечатано в «Журнале ученых» - первом в истории периодическом научном издании, выходившем в Париже. Летом 1677 г. перевод работы Ремера был опубликован в «Философских трудах» Лондонского Королевского общества.

Нахождение Ремера во Франции осложнялось двумя факторами. Во-первых, он не был формально членом Парижской Академии наук (он стал ее иностранным членом лишь в 1699 г., в один год с Ньютоном). Во-вторых, Ремер был протестантом. Его пребывание в католической Франции терпели, пока действовал так называемый Нантский эдикт, подписанный королем Франции Генрихом IV в 1598 г. и регламентировавший взаимоотношения протестантов и католиков. В конце 70-х годов XVII века политическая и религиозная обстановка во Франции стала меняться, вследствие чего положение ученых-протестантов перестало быть прочным, и они стали покидать страну. Даже такому выдающемуся ученому, как Гюйгенс, одному из первых членов Парижской Академии наук и ее фактическому руководителю, пришлось уехать на родину, в Голландию. Ремер не стал дожидаться отмены Нантского эдикта (1685 г.) и в 1681 г. вернулся в Копенгаген, где ему давно предлагали кафедру математики и звание профессора столичного университета. В дальнейшем судьба Ремера складывалась весьма необычно.

Вскоре после возвращения ученого на родину (1681 г.) датский король Христиан V назначил его королевским астрономом. Благодаря этому Ремер получил возможность пользоваться обсерваторией, располагавшейся в Круглой башне и основанной в первой половине XVII в.. Король вскоре понял, насколько сведущий в технике человек находится у него на службе, и на Ремера посыпался поток назначений. По поручению короля он выполнял множество поручений инженерного характера (был смотрителем дорог королевства, занимался вопросами строительства портов и т.д.).

Но Ремер был не только прекрасным астрономом и инженером, он, по-видимому, обладал незаурядными организаторскими способностями. Он разработал новую систему налогообложения, работал в нескольких государственных ведомствах, в том числе был мэром Копенгагена в 1705 г. Видимо, благодаря этим способностям Фредерик IV, сменивший на датском престоле короля Христиана V, сделал Ремера сенатором, а затем и главой Государственного совета. Кажется, что в таких условиях просто некогда было заниматься наукой. Но нет, живя на родине, Ремер ничуть не ослабил своей научной активности. Более того, он даже расширил сферу ее применения.

После смерти Ремера в его личной обсерватории было найдено 54 изобретенных им инструмента. Важнейшими из них по праву считаются пассажный инструмент и меридианный круг – приборы, используемые для астрономических наблюдений и в наши дни. За изобретательский талант Ремера справедливо прозвали «северным Архимедом». Авторитет Ремера в деле организации астрономических наблюдений был столь велик, что сам Лейбниц обращался к нему за советами по вопросу устройства обсерватории.

О результатах астрономических наблюдений Ремера, сделанных в Дании, известно мало – большая часть его записей сгорела во время пожара в 1728 г.. Такая судьба наследия Ремера тем более достойна сожаления, так как по некоторым оценкам объем проведенных им наблюдений не уступал объему наблюдений Тихо Браге, но наверняка они были выполнены с гораздо большей точностью. Та ничтожная часть записей Ремера, которую удалось спасти при пожаре его преданному ученику Питеру Горребу, была обработана немецкими астрономами в середине XIX в. что позволило определить положение более 1000 звезд. Это лишний раз свидетельствует о значимости наблюдений выдающегося датского астронома. Не зря его имя занесено на карту Луны.

Ремер умер 19 сентября 1710 г., так и не дождавшись подтверждения открытия, обессмертившего его имя.

4. Доказательство конечности скорости света.

Для того, чтобы лучше понять ход рассуждений Ремера, приведем отрывок из первого сообщения об открытии.

«Пусть А (рис. 2) будет Солнце, В – Юпитер, С – первый спутник Юпитера, который входит в тень планеты; он выходит из нее в точке D; пусть EFGHLK – положение Земли на различных расстояниях от Юпитера.

Теперь предположим, что с Земли, находящейся в точке L…, виден первый спутник в момент его выхода из тени в точке D; примерно 42,5 часа спустя (т. е. после одного оборота этого спутника) с Земли, находящейся в точке К, виден спутник, возвратившийся в точку D. Ясно, что если свету требуется время, чтобы пройти расстояние LK, спутник будет виден возвратившимся в точку D позже, чем если бы Земля по-прежнему находилась в точке L…».

Далее Ремер делает оценку времени запаздывания, считая, что свету требуется одна секунда для прохождения расстояния, равного диаметру Земли. Оценка дает время запаздывания 3,5 минуты. Поскольку при приближении Земли к Юпитеру в соответствующих точках орбиты (F и G) будет наблюдаться такое же опережение выхода спутника из тени, то общая разность периодов обращения, найденных из наблюдений, сделанных на противоположных сторонах орбиты Земли, составит 7 минут. Однако, говорит Ремер, такое различие не регистрируется. И тут же добавляет: но из этого не следует, что свету не требуется времени для распространения. Именно в этом состоит коренное отличие подхода Ремера от рассуждений Декарта. Ремер понял, что взятая им для оценки скорость света может быть слишком малой, и это может привести к завышению величины разности периодов. Если эффект не наблюдается, это означает одно – скорость света больше ожидаемой. Но как же ее тогда определить? Ремер дает ясный ответ: «…то, что незаметно для двух обращений, становиться весьма значительным для многих, взятых вместе».

Попробуем провести расчет, подобный тому, что сделал Ремер. Пусть истинный период обращения спутника вокруг Юпитера равен Т. Допустим, что отсчет времени на Земле начинается в тот момент, когда спутник выходит из тени Юпитера, а Земля находится в точке орбиты, ближайшей к Юпитеру. Будем отсчитывать видимые затмения спутника до того момента, когда Земля пройдет через наиболее удаленную от Юпитера точку земной орбиты. Таким образом, наблюдения закончатся в момент времени t, когда завершится n-е затмение спутника.

Если бы Земля была неподвижна относительно Юпитера, то можно было бы записать условие:

, (1)

Ясно, что пользуясь формулой (1), можно заранее рассчитать время окончания (начала) любого наперед заданного затмения.

Однако расстояние между Юпитером и Землей меняется. Поэтому свет, отраженный от спутника Юпитера, проходит до Земли большее расстояние в конце наблюдений, чем в начале. Дополнительный путь, проходимый светом, очевидно, приближенно равен диаметру земной орбиты d. Поэтому на Земле окончание n-го затмения будет зарегистрировано в момент t’, спустя промежуток времени t = d/c после момента t, рассчитанного по формуле (1). Таким образом,

(2)

(3)

Конечно, подобные рассуждения могут дать лишь приближенную величину с: здесь мы не учли смещение Юпитера, происходящее за время t, допустили, что свету от спутника при окончании наблюдений требуется пройти расстояние большее, чем в начале наблюдений, в точности на величину диаметра земной орбиты и т. д.. Кроме того, мы пока ничего не сказали о том, как определить истинный период обращения спутника вокруг Юпитера. Не касаясь всех допущений, скажем лишь, что период обращения, определенный при наблюдении одного оборота спутника, незначительно отличается от истинного (на это обратил внимание сам Ремер). Все перечисленные допущения следует иметь в виду, если мы хотим получить возможно более точно значение с. Но перед Ремером такая задача не стояла. Ему важно было получить оценку с по порядку величины и тем самым доказать конечность скорости света. А для этого годилось и такое грубое рассуждение, как наше.

Ремер был осторожен. В первом сообщении о своем открытии он вообще не привел конкретного значения скорости света. Эта осторожность была вполне оправдана, поскольку в то время диаметр земной орбиты был определен лишь приближенно. Величина с = 214000 км / с, которую часто приводят как скорость света, вычисленную Ремером, есть не что иное, как результат более поздних оценок, выполненных на основе сохранившихся наблюдений Ремера. У нас нет никаких оснований сетовать на погрешность первого определения скорости света, поскольку главная – доказательство ее конечности – была достигнута!

5. Реакция на открытие Ремера в мировой науке того времени.

Далеко не все современники Ремера оценили его работу положительно. Мы уже знаем, что Кассини выступил против объяснения запаздывания затмений, данного Ремером. Он предложил множество причин, вследствие которых могли наблюдаться эти запаздывания. Среди них были и вытянутость орбиты спутника, и неравномерность его движения по орбите, вызванная неизвестными причинами. При публикации собственных данных по наблюдениям спутников Юпитера Кассини даже решился объявить те из них, которые подтверждали вывод Ремера, «ненадежными».

На оценке работы Ремера отрицательно сказалась «семейственность», царившая в Парижской обсерватории – все члены семьи Кассини были настроены против идеи о конечности скорости света. По-видимому, лишь один довод семейства Кассини заслуживал серьезного внимания – отсутствие аналогичных четко выраженных закономерностей в движении других спутников Юпитера. Ответ на этот вопрос Ремер не мог дать в силу неразработанности теории движения спутников больших планет, испытывающих взаимное влияние, – ведь его работа появилась за десять лет до выхода в свет ньютоновских «Математических начал натуральной философии» (1687 г.), в которых был сформулирован закон всемирного тяготения.

Выводы Ремера были положительно восприняты за рубежом: Х. Гюйгенсом в Голландии, И. Ньютоном, Дж. Флемстидом, Дж. Брадлеем, Э. Галлеем в Англии, Г.В. Лейбницем в Германии, и только в стране, где было сделано открытие, – во Франции, оно не получило признания по тем же причинам, которые и вынудили Ремера уехать на родину.

Окончательно подтвердил теорию Ремера и одновременно снял возражения Декарта астроном Бредли (1693 – 1762) в 1725 г., когда он, пытаясь найти параллакс некоторых звезд (видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения наблюдателя), обнаружил, что в своей кульминации они кажутся отклоненными к югу. Наблюдения, продолжавшиеся до 1728 г., показали, что в течение года эти звезды как бы описывают эллипс. Бредли интерпретировал это явление, названное в 1729 г. Евстахием Манфреди аберрацией, как результат сложения скорости света, идущего от звезды со скоростью орбитального движения Земли.

6. Литература.

Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. - Киев: Наукова думка, 1977.
Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки. - М.: Высшая школа, 1989.
Марио Льюцци. История физики. / пер.с ит. Э.Л. Бурштейна, - М.: Мир, 1970.
С.Р. Филонович. Самая большая скорость. - М.: Наука, 1983.
Материалы WWW-сайтов: www.mccme, www.n-t и др.