Перший експеримент із вимірювання швидкості світла: як Оле Ремер побачив майбутнє фізики

Коли ми дивимося на зірку, здається, що її світло сягає наших очей миттєво. Протягом тисячоліть мислителі – від Арістотеля до Декарта – саме так і вважали. Лише у XVII столітті данський астроном Оле Ремер довів протилежне: світло має скінченну, хоча й колосальну, швидкість. Його відкриття 1676 року, виконане завдяки спостереженням супутника Іо Юпітера, стало не просто астрономічною новиною, а рубіконом для всієї фізики. Від цього моменту вчені отримали «лінійку», що поєднала небесну механіку, оптику й, зрештою, релятивістську космологію. Саме тому історія першого експерименту зі швидкістю світла залишається яскравою ілюстрацією того, як уважне спостереження може змінити наше розуміння Всесвіту.

Історичний контекст XVII ст

Юпітерів супутник Іо — вулканічно активний супутник, спостереження за яким і стало ключем до відкриття швидкості світла. Данський астроном Оле Ремер (1644–1710) першим експериментально показав, що світло рухається з кінцевою, хоча й надзвичайно великою, швидкістю [1]. У 1676 році, працюючи у Паризькій обсерваторії під керівництвом Джованні Казіні, Ремер систематично вимірював час затінень супутника Іо Юпітера. Він виявив, що по мірі віддалення Землі від Юпітера затримка появи Іо після сходження з тіні наростає, а коли планети зближуються — зменшується. Отже, світловий сигнал від Іо не доходить миттєво: Ремер пояснив це тим, що світлу потрібен час на подолання додаткової відстані [2] [1].

Юпітерів супутник Іо. Зображення NASA: https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA00740

Підґрунтям відкриття Ремера стала його освіта та співпраця з найкращими астрономами Європи. Оле Ремер здобув освіту у Копенгагенському університеті (1662 р.) під керівництвом Р. Бартоліна і працював над упорядкуванням спостережень Тихо Браге[2]. Астрономічний хист Ремера помітив видатний французький науковець Жан Пікар: він узяв Ремера у наукову експедицію на острів Вен (де за наказом короля Фредеріка III відновлювали спостереження Браге), а згодом (на початку 1672 року) Пікар привіз його в новозбудовану Паризьку обсерваторію[2]. Там Ремер став помічником Джованні Казіні і проводив все точніші спостереження орбіт та затемнень місяців Юпітера. Саме в цей період він і зробив своє знамените відкриття. Після повернення до Данії (1679–1681) Ремер викладав астрономію в Копенгагені і встановив новий інструмент з альтиметрично-азимутальними колами та потужним телескопом для точних вимірювань положень зірок[1].

 Оле Ремер (1644–1710). Зображення: Jacob Coning, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33262775

Методика вимірювання швидкості світла Оле Ремера: спостереження за Іо та «запізнення» світла

Методологія вимірювання, запропонована Ремером, була надзвичайно хитромудрою. Він відслідковував повторні появи Іо з тіні Юпітера через один місячний період (~42,5 години). Якщо б швидкість світла була нескінченною, ці інтервали завжди становили б строго 42,5 години. Натомість Ремер виявив систематичні відхилення: коли Земля відходила від Юпітера, інтервали між спостереженнями Іо збільшувалися, а коли зближувалася — зменшувалися [2]. Це повторювалося з річною періодичністю, що явно пов’язувало ефект із орбітальним рухом Землі. Ремер передбачив: наступне затемнення Іо 9 листопада 1676 року відбудеться приблизно на 10 хвилин пізніше, ніж випливало з попередніх таблиць[1]. Коли так і сталось, Ремер пояснив це тим, що світлу потрібно близько 22 хвилин, щоб пройти діаметр орбіти Землі [2] [1]. (Насправді пізніші вимірювання уточнили це значення до ~16 хв 40 с.) Отже Ремер отримав першу оцінку швидкості світла, демонструючи її скінченний характер.

Ілюстрація зі статті про швидкість світла, опублікованої Оле Ремером у 1676 році. Оле Ремер порівняв довжину орбітального періоду Іо, коли Земля рухалася до Юпітера (F до G) і від Юпітера (L до K)

Реакція сучасників і наукова революція

Вимірювання швидкості світла Оле Ремером справив фурор у наукових колах і проклав шлях до сучасної фізики. Спочатку його гіпотеза скінченної швидкості світла викликала сумніви: керівник обсерваторії Казіні та англійський натураліст Роберт Гук ставилися до неї критично. Утім уже наприкінці 1670-х інші видатні вчені Ньютон, Галлей і Гюйґенс більш-менш відразу прийняли ідею Ремера[3] [1]. Зокрема, Християн Гюйґенс у своїй праці “Трактат про світло” (1690) використав спостереження Ремера, щоб обчислити чисельне значення швидкості світла, яке виявилося близьким до сучасного[1]. Ремер особисто зустрічався з Ісааком Ньютоном і Едмондом Галлеєм під час наукової поїздки до Англії 1679 року[1], а сам Галлей потім енергійно популяризував відкриття в Лондонській королівській академії. Завдяки роботі Ремера світло перестало вважатися миттєвим — його скінченна швидкість стала новою основою для моделей Всесвіту.

Сьогодні швидкість світла у вакуумі визначена точно: c ≈ 299 792 км/с (приблизно 3.00×10^5 км/с )[4]. Ця гранична швидкість (подальше прискорення до більшої швидкості виключено) лягла в основу теорії відносності Айнштайна та сучасних уявлень про простір і час. Таким чином перший експеримент Ремера1676 року відкрив дорогу новій епосі фізики, у якій світло розглядають як швидкісну константу, а не як миттєвий сигнал.

Список використаних джерел:

1.    The Editors of Encyclopædia Britannica. Ole Rømer [Електронний ресурс]. – URL:  britannica.com

2.    Niels Bohr Institute, University of Copenhagen. Ole Rømer’s education [Електронний ресурс]. – URL: nbi.ku.dk.

3.    Shea J. H. Ole Rømer, the speed of light, the apparent period of Io, the Doppler effect, and the dynamics of Earth and Jupiter. Am. J. Phys., vol. 66, no. 7, 1998, pp. 562–570. DOI:10.1119/1.18875 (або URL PDF) prideout.net.

4.     Stein V. What is the speed of light? Space.com, 29.10.2024 [Електронний ресурс]. – URL: space.com