Реферат: 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 НиколаевичНижний Новгород

2000 г.

 

 

 

 

 

Содержание.

1.   Исторические предпосылки рассмотрения вопроса о конечности скорости света.------------------------------------------------------------------ 3

2.   Проблема конечности скорости света. ------------------------------------

 

5 3.   Биография и деятельность ученого.---------------------------------------- 6 4.   Доказательство конечности скорости света. ----------------------------- 9 5.   Реакция на открытие Ремера в мировой науке того времени. -------- 11 6.   Литература. --------------------------------------------------------------------- 12

1. Историческиепредпосылки рассмотрения вопроса о

конечности скоростисвета.

 

XVI век, по праву считающийся веком великихгеографических открытий, не только обогатил сокровищницу человеческих знаний оЗемле, но и поставил перед исследователями новые практические проблемы.Значительно расширившаяся практика мореплавания требовала разработки быстрого инадежного 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 находилаудовлетворительного практического решения, хотя принцип определения долготы былизвестен издавна: географическая долгота равна разности местного времениданного пункта и местного времени на исходном, принятом за нулевой меридиане.Идея кажется очень простой и является основой для определения долготы и в нашевремя. Для ее применения на практике требуется лишь, чтобы в распоряжениимореплавателей были часы, которые, будучи установлены в порту с известнойдолготой, в течении длительного времени сохраняли равномерность хода. В любойточке Земли местное время можно определить с помощью астрономическихнаблюдений. Сравнение местного времени, определенного из наблюдений, ипоказаний часов позволяет найти долготы места, в котором находится наблюдатель.Однако в XVII в. еще не были созданы достаточно точные хронометры, и ученыедолжны были искать другой, обходной путь решения проблемы.

Идея этого «обходного» решения такова: если найтиастрономическое явление, достаточно часто повторяющееся, время наступлениякоторого в пункте отсчета долготы было бы известно и занесено в таблицы, тоопределив местное время в пункте наблюдения в тот же момент, можно было быопределить долготу.

О важности этой проблемы можно судить хотя бы по темсуммам вознаграждения, которые предлагались за решение проблемы: испанскийкороль Филипп III в 1604 г. предлагал 100000 экю, Генеральные штаты Нидерландовв 1606 г. назначил премию в 100000 флоринов, несколько позже Людовик XIV,король Франции, ассигновал для этой цели 100000 французских ливров, аанглийский парламент – 20000 английских фунтов. Естественно, что задачапривлекала внимание многих ученых и любителей. Отметим, что работа надсозданием и совершенствованием маятниковых часов, которой длительное времязанимался Христиан Гюйгенс, была в значительной мере стимулирована этойпроблемой.

Однако многие ученые того времени считали болееперспективным чисто астрономический способ. Одним из астрономических явлений,подходящих для определения долготы, по их мнению, были затмения спутниковЮпитера. 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 обнаружилчетыре 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 первыйспутник – Ио. Период его обращения вокруг Юпитера составляет около 42,5 часа;периодически Ио, как и другие спутники, заходит в тень планеты и перестает бытьвидимым с Земли – наступает его затмение.

Как уже говорилось, для использования затмений приопределении долготы требовалось составить подробные таблицы затмений,наблюдаемых в каком-то определенном пункте. Эту задачу и поставили перед собойдва астронома, работавшие во второй половине XVII в. в Парижской обсерватории,- Жан Пикар (1620 – 1682) и Джовани Доменико Кассини (1625 – 1712). Кассини, попроисхождению итальянец, некоторое время работал на родине, в Болонье. Именнотам ему удалось составить и опубликовать первые удовлетворительные таблицыдвижений спутников Юпитера. Вскоре после этого, в 1668 г. Людовик XIV пригласилКассини возглавить только что построенную им Парижскую обсерваторию. К моментуприбытия Кассини в Париж там уже работал Пикар, которому принадлежат первыенаблюдения спутников Юпитера, выполненные в Париже. На новом месте Кассинипродолжил наблюдение спутников.

В Парижской обсерватории занимались очень широкимкругом проблем, анализировали полученные другими астрономами результаты, велибольшую издательскую деятельность. В рамках обширной программы исследованийбыла запланирована поездка в Данию, имевшая целью уточнить географическиекоординаты знаменитой обсерватории Тихо Браге (1546 – 1601), где этотвыдающийся датский астроном провел большинство своих наблюдений. Необходимостьтакого уточнения диктовалась тем, что без надежного знания координатобсерватории невозможно пользоваться данными наблюдений. Кроме того парижскиеастрономы хотели провести одновременные наблюдения затмений первого спутникаЮпитера в Париже и на острове Вен, где находилась обсерватория Браге.Выполнение этой задачи было поручено Пикару. В июле 1671 г. он отбыл из Парижав Копенгаген.

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

2. Проблемаконечности скорости света.

 

          Перваяполовина XVII века характеризовалась организационным становлением науки. В этовремя появляются первые научные журналы, образуются научные общества иакадемии. От ученых – членов этих академий – требовалось в первую очередьрешение актуальных практических задач.

/>          Вопрос о том, конечна или бесконечно велика скорость света,начал широко обсуждаться именно в этот период времени. С одной стороны, этобыло связано с развитием оптики и попытками выяснить природу света, а с другойстороны – со стремлением к решению физических проблем путем постановкиколичественных экспериментов. В 1638 г. Г. Галлей в книге «Беседы иматематические доказательства ...» устами своих героев обсудил этот вопрос ипредложил 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, справедливоуказал, что при усовершенствовании методики проведения опыта его исход можетоказаться другим. Значительным событием в истории физики стала теоретическаядискуссия между П. Ферма и Р. Декартом (а также его последователями) о скоростисвета, приведшая Ферма к выдвижению «принципа наименьшего времени» для описанияраспространения света. Ясно, что с помощью экспериментальной техники XVII в.измерение скорости света в земных условиях было невозможно. Поэтому совершенноестественно, что доказательство конечности света и первая оценка ее величиныбыли получены в астрономии. Автором этого доказательства и был датский ученыйОлаф Ремер.

 

3.   Биография и деятельность ученого.

 

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

/> <td/> />
К тому времени, когда Пикар прибыл в Данию, обсерватория Браге была почтиполностью разрушена. Тем не менее, с помощью искусных помошников Пикару удалосьпровести запланированные наблюдения. На французского астронома, по-видимому,произвели большое впечатление энергия и способности молодого датчанина. В 1671г. Пикар решил пригласить его во Францию для работы в Парижской обсерватории.Ремер принял приглашение Пикара. После переезда в Париж, кроме непосредственныхобязанностей сотрудника обсерватории, на него возлагается еще одноответственное поручение – обучение математике наследника французского престола.Но этим не ограничивается деятельность Ремера. В Париже он занимаетсяразнообразными инженерными проблемами, в частности, участвует в устройствефонтанов в Версале и Марли. В области астрономии получают известностьизобретенные им планисферы – модели, с помощью которых можно было проследить задвижением одного небесного тела вокруг другого; планисфера Юпитера (Йовилабиум)сыграла значительную роль в определении нерегулярностей в видимых движенияхспутников Юпитера. Для измерения угловых расстояний между близкими небеснымиобъектами Ремер усовершенствовал микрометр (рис.1).

 Его прибор представлял собой систему из двух рамок, с натянутыми наних нитями (А). При измерениях одна рамка (LQ)оставалась неподвижной, а вторая (PQ)перемещалась с помощью винта Н. Смещение нитей подвижной рамкиопределялось по шкале, нанесенной на винт. Высокая точность измеренийдостигалась благодаря использованию двух систем нитей. По своим качествам этотмикрометр настолько превосходил использовавшиеся до этого измерители малых смещений,что очень скоро стал общеупотребительным. Одним словом, в Париже Ремер сразуприступил к активной научной работе. Будучи сотрудником Кассини, он неизбежнозанялся решением задач, интересовавших руководителя обсерватории. Одной изтаких 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 отпериодичности. Именно он различал «первое неравенство», являвшееся следствиемэллиптичности 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 (вдвижении первого спутника Юпитера) может быть обусловлено тем, что светутребуется некоторое время, чтобы дойти от спутника до нас, и ему требуется отдесяти до одиннадцати минут, чтобы пройти расстояние, равное половине диаметраземной орбиты». Так что же, загадка скорости света была разгадана? Но тогдапричем здесь Ремер? Вопросы вполне справедливые, они не раз возникали уисториков науки.

Гипотеза Кассини не привлекла внимание ученых. Кассини по отношению ксобственной идее проявил беспринципность, которая, следует отметить, былахарактерной для всей его научной деятельности. По иронии судьбы глава одной изкрупнейших обсерваторий мира по всем важнейшим астрономическим вопросам  тоговремени придерживался ошибочных взглядов. Кассини не настаивал на своей(правильной!) гипотезе. Более того, когда Ремер подтвердил ее наблюдениями ирасчетом, Кассини от нее отказался и стал одним из самых упорных противниковРемера. Такой ход событий позволяет предположить, что замечание Кассини былоболее или менее случайным, а гипотеза – лишь одной из многих, приходивших ему вголову. Ремер вел себя иначе.

Проанализировав результаты многолетних наблюдений, датский астроном всентябре 1676 г. выступил перед членами Парижской Академии наук с докладом, вкотором предсказал, что затмение первого спутника Юпитера, которое должно былопо расчетам произойти 9 ноября того же года в 5 ч. 25 мин. 45 с., вдействительности будет наблюдаться на десять минут позже. Это запаздывание онобъяснил конечностью скорости распространения света: по мнению Ремера, светунеобходимо около 22 минут, чтобы пройти расстояние, равное диаметру земнойорбиты. Наблюдение ноябрьского затмения блестяще подтвердило предсказаниеученого. Это дало ему возможность выступить 21 ноября того же года с докладом освоих наблюдениях и выводах из них. В декабре изложение доклада было напечатанов «Журнале ученых» — первом в истории периодическом научном издании, выходившемв Париже. Летом 1677 г. перевод работы Ремера был опубликован в «Философскихтрудах» Лондонского Королевского общества.

Нахождение Ремера во Франции осложнялось двумя факторами. Во-первых, онне был формально членом Парижской Академии наук (он стал ее иностранным членомлишь в 1699 г., в один год с Ньютоном). Во-вторых, Ремер был протестантом. Егопребывание в католической Франции терпели, пока действовал так называемыйНантский эдикт, подписанный королем Франции Генрихом IVв 1598 г. и регламентировавший взаимоотношения протестантов и католиков. Вконце 70-х годов XVII века политическая и религиознаяобстановка во Франции стала меняться, вследствие чего положениеученых-протестантов перестало быть прочным, и они стали покидать страну. Дажетакому выдающемуся ученому, как Гюйгенс, одному из первых членов ПарижскойАкадемии наук и ее фактическому руководителю, пришлось уехать на родину, вГолландию. Ремер не стал дожидаться отмены Нантского эдикта (1685 г.) и в 1681г. вернулся в Копенгаген, где ему давно предлагали кафедру математики и званиепрофессора столичного университета. В дальнейшем судьба Ремера складываласьвесьма необычно.

Вскоре послевозвращения ученого на родину (1681 г.) датский король Христиан V назначил его королевским астрономом. Благодаря этому Ремер получилвозможность пользоваться обсерваторией, располагавшейся в Круглой башне иоснованной в первой половине XVII в… Король вскорепонял, насколько сведущий в технике человек находится у него на службе, и наРемера посыпался поток назначений. По поручению короля он выполнял множествопоручений инженерного характера (был смотрителем дорог королевства, занималсявопросами строительства портов и т.д.).

Но Ремер был не только прекрасным астрономом и инженером, он,по-видимому, обладал незаурядными организаторскими способностями. Он разработалновую систему налогообложения, работал в нескольких государственных ведомствах,в том числе был мэром Копенгагена в 1705 г. Видимо, благодаря этим способностямФредерик IV, сменивший на датском престоле короляХристиана V, сделал Ремера сенатором, а затем и главойГосударственного совета. Кажется, что в таких условиях просто некогда былозаниматься наукой. Но нет, живя на родине, Ремер ничуть не ослабил своейнаучной активности. Более того, он даже расширил сферу ее применения.

После смерти Ремера в его личной обсерватории было найдено 54изобретенных им инструмента. Важнейшими из них по праву считаются пассажныйинструмент и меридианный круг – приборы, используемые для астрономическихнаблюдений и в наши дни. За изобретательский талант Ремера справедливо прозвали«северным Архимедом». Авторитет Ремера в деле организации астрономическихнаблюдений был столь велик, что сам Лейбниц обращался к нему за советами повопросу 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 некоторымоценкам объем проведенных им наблюдений не уступал объему наблюдений ТихоБраге, но наверняка они были выполнены с гораздо большей точностью. Таничтожная часть записей Ремера, которую удалось спасти при пожаре егопреданному ученику Питеру Горребу, была обработана немецкими астрономами всередине XIX в. что позволило определить положениеболее 1000 звезд. Это лишний раз свидетельствует о значимости наблюденийвыдающегося датского астронома. Не зря его имя занесено на карту Луны.

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

4. Доказательство конечности скорости света.

 

          Длятого, чтобы лучше понять ход рассуждений Ремера, приведем отрывок из первогосообщения об открытии.

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

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, чемесли бы Земля по-прежнему находилась в точке L…».

Далее Ремер делает оценку времени запаздывания,считая, что свету требуется одна секунда для прохождения расстояния, равногодиаметру Земли. Оценка дает время запаздывания 3,5 минуты. Поскольку приприближении Земли к Юпитеру в соответствующих точках орбиты (F и G)будет наблюдаться такое же опережение выхода спутника из тени, то общаяразность периодов обращения, найденных из наблюдений, сделанных напротивоположных 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 состоиткоренное отличие подхода Ремера от рассуждений Декарта. Ремер понял, что взятаяим для оценки скорость света может быть слишком малой, и это может привести кзавышению величины разности периодов. Если эффект не наблюдается, это означаетодно – скорость света больше ожидаемой. Но как же ее тогда определить? Ремердает ясный ответ: «…то, что незаметно для двух обращений, становиться весьмазначительным для многих, взятых вместе».

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

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

/>,                       (1)

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

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

/>                 (2)

/>               (3)

Конечно, подобные рассуждения могут дать лишьприближенную величину с: здесь мы не учли смещение Юпитера, происходящее завремя t, допустили, что свету от спутника при окончаниинаблюдений требуется пройти расстояние большее, чем в начале наблюдений, вточности на величину диаметра земной орбиты и т. д… Кроме того, мы пока ничегоне сказали о том, как определить истинный период обращения спутника вокругЮпитера. Не касаясь всех допущений, скажем лишь, что период обращения,определенный при наблюдении одного оборота спутника, незначительно отличаетсяот истинного (на это обратил внимание сам Ремер). Все перечисленные допущенияследует 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 попорядку величины и тем самым доказать конечность скорости света. А для этогогодилось и такое грубое рассуждение, как наше.

Ремер был осторожен. В первом сообщении о своемоткрытии он вообще не привел конкретного значения скорости света. Этаосторожность была вполне оправдана, поскольку в то время диаметр земной орбитыбыл определен лишь приближенно. Величина с = 214000 км / с, которуючасто приводят как скорость света, вычисленную Ремером, есть не что иное, какрезультат более поздних оценок, выполненных на основе сохранившихся наблюденийРемера. У нас нет никаких оснований сетовать на погрешность первого определенияскорости света, поскольку главная – доказательство ее конечности – была достигнута!

5. Реакция на открытие Ремера в мировой науке тоговремени.

 

Далеко не все современники Ремера оценили его работуположительно. Мы уже знаем, что Кассини выступил против объяснения запаздываниязатмений, данного Ремером. Он предложил множество причин, вследствие которыхмогли наблюдаться эти запаздывания. Среди них были и вытянутость орбитыспутника, и неравномерность его движения по орбите, вызванная неизвестнымипричинами. При публикации собственных данных по наблюдениям спутников ЮпитераКассини 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 Кассинибыли настроены против идеи о конечности скорости света. По-видимому, лишь одиндовод семейства Кассини заслуживал серьезного внимания – отсутствие аналогичныхчетко выраженных закономерностей в движении других спутников Юпитера. Ответ наэтот вопрос Ремер не мог дать в силу неразработанности теории движенияспутников больших планет, испытывающих взаимное влияние, – ведь его работапоявилась за десять лет до выхода в свет ньютоновских «Математических началнатуральной философии» (1687 г.), в которых был сформулирован закон всемирноготяготения.

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

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

6. Литература.

1.   ХрамовЮ.А. Физики. Биографический справочник. — Киев: Наукова думка, 1977.

2.   ГолинГ.М., Филонович С.Р. Классики физической науки. — М.: Высшая школа, 1989.

3.   МариоЛьюцци. История физики. / пер.с ит. Э.Л. Бурштейна, — М.: Мир, 1970.

4.   С.Р.Филонович. Самая большая скорость. — М.: Наука, 1983.

5.   МатериалыWWW-сайтов: www.mccme.ru, www.n-t.org и др.

еще рефераты
Еще работы по физике