Измерение скорости света Рёмером
Измерение скорости света Рёмером — обнаруженное в 1676 году доказательство конечности скорости света, то есть того, что свет не распространяется с бесконечной скоростью, как считалось ранее. Открытие этого факта обычно приписывается датскому астроному Оле (Олафу) Рёмеру (1644—1710), который тогда работал в Королевской обсерватории Парижа.
Предпосылки открытия
Для навигации в море, практически важной для мореплавания, необходимо определение географических координат судна. Широта легко находится по высоте Полярной звезды над горизонтом (точнее, высоте Северного полюса Мира), с долготой дело обстояло сложнее. Несмотря на то, что принцип определения долготы по моментам затмений спутников Юпитера был предложен Галилеем в 1612 г., после открытия им этих спутников в 1610 г., этот метод неудобен для наблюдения затмений спутников Юпитера на судне в открытом море из-за качки, так как для наблюдения затмений требовался телескоп со значительным увеличением, при котором изображение Юпитера и его спутников «металось» в поле зрения телескопа. Актуальностью задачи определения долготы объясняется учреждением в 1714 году британским парламентом огромной по тем временам премии за разработку метода определения долготы — £10 000 при погрешности в 60 морских миль, £15 000 (40 миль) и £20 000 (30 миль). После учреждения этой премии многие учёные и просто энтузиасты взялись за решение этой проблемы.
В сухопутных экспедициях или для определения долготы на вновь открытых землях морскими экспедициями по затмениям спутников Юпитера этот метод долгое время оставался единственным способом надёжного определения долготы до изобретения в 1730 г. и доведения до практического применения в 1735 г. точного морского хронометра. (Подробнее см. Проблема определения долготы).
Для определения географической долготы необходимо знание времени на нулевом меридиане и местного времени в определяемом месте. Местное время легко находится по высоте светил над горизонтом (например, наибольшая высота Солнца над горизонтом достигается в момент астрономического полудня, также могут быть составлены таблицы для определения местного времени в любой момент суток по высоте над горизонтом других светил, например, Сириуса). По разности времён суток в определяемом месте и Гринвичской обсерватории сразу находится долгота. (Подробнее см. Астрономическая навигация).
Таким образом, проблема сводится к определению разности между местным временем и временем нулевого меридиана в текущий момент.
В то время ещё не изобрели точные часы (хронометры), пригодные для определения времени на судах, так как наиболее точные в то время часы — маятниковые (изобретённые Гюйгенсом в 1657 г.) непригодны для этой цели из-за качки судна в море. Поэтому, время нулевого меридиана можно было определить только по наблюдениям астрономических явлений.
Долгое время такими наблюдаемыми явлениями были только лунные затмения, но, так как момент лунного затмения трудно определить с достаточной точностью (длится более часа и тень Земли на поверхности Луны размыта из-за рефракции в атмосфере Земли), и это довольно редкое явление, астрономы искали более удобные «небесные часы».
После открытия Галилеем спутников Юпитера он предложил в работе 1612 г. применить для определения долготы эти «небесные часы» — моменты затмений спутников Юпитера (захождения спутников в солнечную тень планеты). Для этой цели удобно наблюдение самого близкого к планете и имеющего максимальную орбитальную скорость из галилеевых спутников спутника Юпитера Ио, так как имеет орбитальный период ~42,5 часов, (то есть, затмения и выходы из затмений происходят через каждые сутки и 19 часов.). При орбитальной скорости Ио ~17 км/с и диаметре ~3600 км фаза затмения и выхода из затмения длится ~200 c, таким образом, при ошибке определения времени нулевого меридиана в 100 с по затмениям Ио можно было рассчитывать на максимальную погрешность определения места по долготе на широте экватора в ~50 км (~30 миль). В более высоких широтах ошибка определения места по расстоянию соответственно ниже и уменьшается как косинус широты.
Для практического применения этого метода определения долготы необходимо прогнозировать моменты затмений, то есть составить таблицы моментов будущих затмений спутников Юпитера, составленные для местного времени нулевого меридиана.
Метод Рёмера
Проводя наблюдения затмений, Рёмер заметил, что моменты затмений сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите, а именно, когда Земля находится ближе к Юпитеру, моменты затмений наступают ранее усреднённых на больших интервалах времени средних значений, а когда Земля находится дальше от Юпитера — отстают.
Для объяснения этих колебаний Рёмер предположил, что скорость света конечна, а разница во времени наблюдения затмений вызвана изменяющимся расстоянием между планетами. При росте расстояния событие наблюдается позже, т.к. свет от Юпитера должен пробегать больший путь, а при уменьшении расстояния — раньше. Его расчёт, основанный на современных ему неточных знаниях об орбитах планет и доступных ему способах изменения времени, дал для скорости света величину 230 000 км/с, что на примерно на четверть ниже реального значения (c ≈ 300 000 км/с).
