Занятие 14. «Определение скорости света»

Сегодня мы повторим эксперимент, выполненный три столетия назад, и определим скорость света, используя наблюдения затмений спутника Юпитера - Ио тенью Юпитера. При наблюдении за движением спутников Юпитера, у ученых первоначально не стояла задача определить скорость света. Моменты затмений ближайшего к Юпитеру спутника Ио хотели использовать как стрелки очень точных часов.
Поэтому астрономы стремились определить период Ио с высокой точностью и рассчитать моменты времени, в которых в будущем будут происходить затмения. Такие реперы времени планировались впоследствии применять в сухопутных и морских путешествиях. Например, представьте, что у вас есть прогнозы затмений и вы знаете, что Ио будет затменен сегодня вечером в 22 часа 31 минуту всемирного времени. Поэтому, когда вы сегодня вечером увидите, что Ио исчезает в тени Юпитера, можете быть уверены, что время 22 часа 31 минута. Знание времени было жизненно важно путешественникам той эпохи для навигации. Если штурман замечает, что затмение Ио произошло на один час позже, чем указано в таблицах для гринвического меридиана, то он делает вывод, что его долгота 15 градусов. Ведь надежные часы, которые будут работать на качающемся корабле в море, были изобретены только спустя полтора столетия Джоном Гаррисоном.
Французский астроном Джованни Кассини приступил к наблюдениям Юпитера и его спутников, уделяя особое внимание времени, когда Ио входил в тень Юпитера и покидал ее. Его данные показали, что когда Юпитер и Земля были близки, наблюдаемые времена затмения Ио совпадали с предсказанными. Но когда Юпитер и Земля находились далеко друг от друга, наблюдаемое время было на 10-12 минут позже, чем прогнозировалось. Первоначально он пришел к выводу, что это результат того, что свету потребовалось конечное время для путешествия от Юпитера на Землю. Однако потом передумал, полагая, что свет не может иметь конечную скорость и стал искать факторы, повлиявшие на ошибочность определения времени.
Он рассуждал так. Спутники отражают Солнечный свет. Когда они переходят в тень Юпитера, то темнеют. Тень Юпитера простирается от Юпитера в космос в направлении, противоположном Солнцу. Таким образом, направление тени меняется при движении Юпитера по орбите. И надо правильно определить границы тени, чтобы предсказывать моменты затмений при наблюдении с Земли.
Однако Ремеру, который присоединился к Кассини для наблюдений затмений, понравилась первая интерпретация данных Кассини и он выполнил расчеты, которые мы сегодня вместе проделаем, и получил значение cкорости света, которое составило около 70% от современного. По этой причине ему приписывают первенство определения скорости света.

Повторение занятия

Шаг 1. Загрузить Стеллариум.
Договоримся использовать моменты, когда Ио, один из спутников Юпитера, будет входить в тень, отбрасываемую планетой от Солнца.
Включим опцию «моделирование скорости света».
Шаг 2. Наблюдайте и определяйте время затмения Ио близко к соединению Юпитера. Поскольку затмения происходят каждые пару дней (примерно), вы просто наблюдаете (поминутно, а затем посекундно продвигая время), пока Ио не исчезнет. Запишите время.
Шаги 3-5. Предскажите точное время затмения Ио близко к противостоянию, основываясь на периоде Ио.
Шаг 6. Наблюдайте и измеряйте время затмения Ио. Важно начать наблюдение за несколько часов до предполагаемого времени, чтобы не пропустить точное время затмения.
Шаги 7-8. Рассчитайте разницу между предсказанным и наблюдаемым временем вблизи противостояния, а также разницу в расстоянии между Землей и Юпитером во времена двух затмений.
Шаги 9-10. Рассчитайте скорость света (разницу во времени, деленную на разницу в расстоянии) и сравните ее с принятым значением скорости света.

Домашнее задание

Как бы изменились ваши прогнозы и возможное определение скорости света, если бы точность ваших часов была несколько минут вместо 1 секунды?