Kvant. Герике и Рёмер

Васильев А. Два бургомистра //Квант. — 2003. — № 3. — С. 15-16.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Яркие индивидуальности физиков и математиков часто проявлялись в самых разнообразных областях человеческой деятельности. Среди ученых были и знаменитые художники, как Леонардо да Винчи, и видные политики, как Бенджамин Франклин. Многие из них уделяли большое внимание развитию современной им техники, промышленного производства и военного дела. По роду службы Исаак Ньютон был смотрителем Королевского монетного двора в Лондоне, а Отто фон Герике в Магдебурге и Оле Рёмер в Копенгагене были градоначальниками.

Бургомистр Магдебурга

Отто фон Герике (1602-1686) родился в Магдебурге в самом начале XVII века. По окончании городского училища он продолжил обучение в университетах Лейпцига, Хельмштадта, Йены и Лейдена. Особенно его интересовали физика, прикладная математика, механика и фортификация. Юность Герике пришлась на начало жестокой тридцатилетней войны, в которой, помимо немцев, на разных этапах приняли участие чехи, австрийцы, датчане, шведы и французы. Как стратегически важный центр восточной Германии, Магдебург неоднократно переходил из рук в руки, а в 1631 году был полностью разрушен. Герике, как члену городского совета, пришлось в эти годы проявить не только выдающиеся инженерные, но и незаурядные дипломатические способности. За заслуги перед родным городом в его защите и восстановлении в 1646 году он был избран бургомистром Магдебурга и оставался им в течение 30 лет.

Различные пневматические инструменты Герике

Будучи далеко не кабинетным ученым, Герике на протяжении всей жизни интересовался естественными науками. Особенно его интриговал постулат Аристотеля о том, что природа не терпит пустоты. Для проверки этого утверждения он изобрел воздушный насос, с помощью которого в 1654 году осуществил свой знаменитый опыт с магдебургскими колоколами.

Для выполнения опыта было изготовлено два медных полушария диаметром около 35,5 см, одно из которых было снабжено трубкой для откачивания воздуха. Эти полушария сложили вместе, а между ними поместили кожаное кольцо, пропитанное расплавленным воском. Затем с помощью насоса откачали воздух из полости, образовавшейся между полушариями. На каждом из полушарий имелись железные кольца, в которые были впряжены две упряжки лошадей. Все попытки разъединить полушария не увенчались успехом, однако когда внутрь полушарий впустили воздух, они распались без усилия.

Опыт с магдебургскими колоколами доказал наличие атмосферного давления и до сих пор излагается в курсах общей физики по всему миру. Развивая эту тематику, Герике построил первый водяной барометр и использовал его для метеорологических наблюдений, изобрел гигрометр, сконструировал воздушный термометр, манометр.

Круг интересов Герике, однако, не ограничился данным разделом физики. По сути, уже в XVII веке он заложил фундамент науки об электричестве и, в частности, экспериментальной электростатики. В 1660 году он придумал и соорудил первое устройство для получения статического электричества — серный шар диаметром 15-20 см, электризуемый при натирании сухой ладонью. Насадив шар на ось, Герике наблюдал различные электрические явления. Притянутая к шару пушинка отталкивалась от него, парила в воздухе, притягивалась к другим телам, особенно к заостренным, а потом — снова к шару. Перенося шар по комнате, ученый водил пушинку за собой. Раньше считалось, что наэлектризованное тело способно только притягивать предметы, Герике же обнаружил явление взаимного отталкивания наэлектризованных тел. Экспериментатор показал, что электростатические заряды могут распространяться по полуметровой льняной нитке, притягивающей к своему концу легкие предметы. Натирая шар рукой в темноте, он обнаружил слабое свечение, т.е. первым наблюдал электролюминесценцию. Шар Герике явился прообразом электростатического генератора, посредством которого были открыты новые электрические явления.

Многочисленные физические опыты еще при жизни принесли ученому признание и уважительное прозвище немецкого Галилея. В 1666 году первым среди ученых он был удостоен дворянского звания и стал именоваться Отто фон Герике.

Бургомистр Копенгагена

Оле Кристенсен Рёмер (1644-1710) прославился тем, что еще в начале своей научной карьеры сделал одно из величайших открытий в физике — установил факт конечной величины скорости света. Почти до конца XVII века явление распространения световых лучей стояло в стороне от всех других физических явлений. По сложившемуся за долгие годы мнению, для прохождения светом отрезка любой длины не требовалось никакого времени, а все попытки экспериментально измерить скорость света оказывались неудачными.

Успех в измерении скорости света пришел, когда «длина отрезка» достигла астрономических величин и световому лучу понадобилось достаточно много времени для преодоления этого расстояния. Открытие молодого датского астронома было сделано в 1675 году в Парижской обсерватории совместно с ее директором Дж. Кассини. При проведении наблюдений за движением спутников Юпитера они заметили, что промежутки времени между двумя последовательными затмениями одного и того же спутника планеты различны при наблюдениях, разнящихся на полгода. Обратив внимание на то, что в одном из этих положений Земля движется в направлении к Юпитеру, а в другом удаляется от него, Рёмер сделал вывод, что свету, идущему от наблюдаемого спутника, требуется некоторое время для преодоления расстояния между планетами, а когда это расстояние меняется, изменяется и время, в течение которого свет его проходит. Количественные оценки скорости света, сделанные Рёмером, а затем и другими астрономами, были не очень точными.

Определнние скорости света методом Физо

Первое лабораторное измерение скорости света в земных условиях осуществил в 1849 году французский физик Арман Ипполит Физо. В опыте Физо, как показано на рисунке, пучок света от источника S, отраженный полупрозрачным зеркалом N, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском W, проходил базу MN длиной около 8 км и, отразившись от зеркала М, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а при попадании в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать в окуляр Е. По известной скорости вращения диска было определено время прохождения светом базы, что привело к значению скорости света в воздухе с = 313300 км/с.

Измерение скорости света методом вращающегося зеркала (метод Фуко)

В 1862 году французский физик-экспериментатор Жан Бернар Фуко реализовал высказанную ранее идею Араго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся (512 об/с) зеркало. Отражаясь от зеркала R, пучок света от источника S направлялся на базу С и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол (пунктиром на рисунке показано положение зеркала, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход лучей через объектив L и полупрозрачное зеркало М, когда отраженный пучок собирается в точке S’ , а не в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале). Скорость света при этом устанавливается по смещению SS’, измеряемому с помощью окуляра Е. При базе всего в 20 м Фуко нашел, что скорость света равна с = 298000 ± 500 км/с.

Схемы и основные идеи опытов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света. Полученное в 1926 году американским физиком Альбертом Майкельсоном значение с = 299796 ± 4 км/с было в то время самым точным и вошло в международные таблицы физических величин.

В современных измерениях скорости света зубчатое колесо заменяется на электронно-оптический, дифракционный, интерференционный или какой-либо иной преобразователь света. В качестве источника света выступает лазер, а приемником света служит фотоэлемент или фотоэлектронный умножитель. Все это позволило существенно снизить погрешности измерений и установить значение скорости света с = 299792,5 ± 0,15 км/с.

Помимо прямых измерений скорости света по времени прохождения известной базы, в настоящее время широко применяются косвенные методы, дающие еще большую точность. Так, в 1972 году американский ученый Ивенсон (и его сотрудники) по цезиевому стандарту частоты определил с точностью до одиннадцатого знака частоту излучения СН₄ -лазера, а по криптоновому стандарту частоты нашел его длину волны.

Решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным данным для науки и техники (1973 г.) скорость света в вакууме принято считать равной с = 299792458 ± 1,2 м/с.