指をパチンと鳴らしてください！ それをするのにかかった時間の間に、光線は月までほとんどずっと進むことができました。 もう一度指をパチンと鳴らすと、ビームが旅を完了する時間を与えます。 重要なのは、光は本当に、本当に速く伝わるということです。
光は速く移動しますが、17世紀以前に人々が信じていたように、その速度は無限ではありません。 ただし、速度が速すぎて、ランプ、爆発、または人間の視力と人間の反応時間に依存するその他の手段を使用して測定することはできません。 ガリレオに聞いてください。
光の実験
ガリレオは1638年にランタンを使った実験を考案しました。彼が管理できる最善の結論は、光が「非常に速い」（つまり、本当に本当に速い）ということでした。 彼が実際に実験を試みたとしても、彼は数を思い付くことができませんでした。 しかし、彼は、光は音の少なくとも10倍の速さで進むと信じていると思い切って言いました。 実際には、100万倍の速さです。
物理学者が普遍的に小文字のcで表す光速の最初の成功した測定は、1676年にOleRoemerによって行われました。 彼は木星の衛星の観測に基づいて測定を行いました。 それ以来、物理学者は、星、歯車、回転鏡、無線干渉計、空洞共振器、およびレーザーの観測を使用して、測定を改善してきました。 彼らは今知っていますc非常に正確であるため、度量衡総評議会は、SIシステムの長さの基本単位であるメートルを基にしています。
光速は普遍的な定数であるため、光速の公式はありません。それ自体. 実際、cメーターがそれに基づいているので、何か違うとしたら、すべての測定値を変更する必要があります。 ただし、光には周波数を含む波の特性がありますνと波長λ、そしてこれらを光速に関連付けることができます。この方程式は、光速の方程式と呼ぶことができます。
c = \ nu \ lambda
天文観測からの光速の測定
レーマーは、光速の数値を最初に思いついた人です。 彼は木星の衛星、特にイオの日食を観察しながらそれをしました。 彼はイオが巨大な惑星の後ろに消えるのを見て、それから再び現れるのにどれくらいの時間がかかったかを計りました。 彼は、木星が地球にどれだけ近いかによって、この時間は1,000秒も異なる可能性があると推論しました。 彼は214,000km / sの光速の値を考え出しました。これは、ほぼ300,000 km / sの現代の値と同じ球場にあります。
1728年、英国の天文学者ジェームズブラッドリーは、太陽の周りの地球の動きによる位置の明らかな変化である恒星の収差を観測することによって光速を計算しました。 この変化の角度を測定し、当時知られているデータから計算できる地球の速度を差し引くことによって、ブラッドリーははるかに正確な数値を思いついた。 彼は真空中の光速を301,000km / sと計算しました。
空気中の光速と水中の光速の比較
光速を測定する次の人物はフランスの哲学者アルマン・フィゾーであり、彼は天文観測に依存していませんでした。 代わりに、彼は、ビームスプリッター、回転する歯車、および光源から8kmに配置されたミラーで構成される装置を構築しました。 彼はホイールの回転速度を調整して、光線がミラーに向かって通過できるようにするが、戻りビームを遮断することができます。 彼の計算c彼が1849年に発表した、は315,000 km / sで、ブラッドリーほど正確ではありませんでした。
1年後、フランスの物理学者であるレオンフーコーは、歯車の代わりに回転鏡を使用することで、フィゾーの実験を改善しました。 フーコーのcの値は298,000km / sであり、これはより正確であり、その過程でフーコーは重要な発見をしました。 回転鏡と静止鏡の間に水管を挿入することにより、彼は空気中の光の速度が水中の速度よりも速いと判断しました。 これは、光の粒子説が予測し、光が波であることを確立するのに役立ったものとは反対でした。
1881年、A。 A。 ミシェルソンは、干渉計を構築することにより、フーコーの測定を改善しました。 元のビームと戻るビームの位相を比較し、干渉パターンを表示します。 画面。 彼の結果は299,853km / sでした。
マイケルソンは、干渉計の存在を検出するために開発しましたエーテル、光波が伝播すると考えられていた幽霊のような物質。 物理学者のエドワード・モーリーと一緒に行われた彼の実験は失敗であり、アインシュタインは光速がすべての参照フレームで同じである普遍的な定数であると結論付けました。 それが特殊相対性理論の基礎でした。
光速の方程式を使用する
マイケルソンの価値は、1926年に彼自身がそれを改善するまで受け入れられていました。 それ以来、さまざまな技術を使用して多くの研究者によって価値が洗練されてきました。 そのような技術の1つは、電流を生成するデバイスを使用するキャビティ共振器法です。 1800年代半ばにマクスウェルの方程式が発表された後、物理学者は 光と電気は両方とも電磁波の現象であり、両方が同時に移動することに同意しました 速度。
実際、マクスウェルが方程式を発表した後、自由空間の透磁率と電気透磁率を比較することにより、間接的にcを測定することが可能になりました。 ローザとドーシーの2人の研究者は、1907年にこれを行い、光速を299,788 km / sと計算しました。
1950年、英国の物理学者LouisEssenとA.C.Gordon-Smithは、空洞共振器を使用して、波長と周波数を測定することで光速を計算しました。 光の速度は、光が移動する距離と同じですd所要時間で割った値∆t: c = d / ∆t. 単一波長の時間を考慮してくださいλポイントを通過するのは、周波数の逆数である波形の周期です。v、そしてあなたは光速の公式を得る：
c = \ nu \ lambda
エッセンとゴードンスミスが使用したデバイスは、キャビティ共振波長計. 既知の周波数の電流を発生させ、波長計の寸法を測定することで波長を計算することができました。 彼らの計算では299,792km / sが得られ、これはこれまでで最も正確な決定でした。
レーザーを使用した最新の測定方法
現代の測定技術の1つは、フィゾーとフーコーで採用されているビーム分割法を復活させていますが、精度を向上させるためにレーザーを使用しています。 この方法では、パルスレーザービームが分割されます。 1つのビームは検出器に到達し、もう1つのビームは短い距離に配置されたミラーに垂直に移動します。 ミラーはビームを反射して2番目のミラーに戻し、2番目のミラーはビームを2番目の検出器に偏向します。 両方の検出器は、パルスの周波数を記録するオシロスコープに接続されています。
2番目のビームは最初のビームよりも長い距離を移動するため、オシロスコープのパルスのピークは分離されます。 ピークの間隔とミラー間の距離を測定することにより、光ビームの速度を導き出すことができます。 これは単純な手法であり、かなり正確な結果が得られます。 オーストラリアのニューサウスウェールズ大学の研究者は、300,000 km / sの値を記録しました。
光の速度を測定することはもはや意味がありません
科学界で使用されている測定棒はメーターです。 当初は、赤道から北極までの距離の1,000万分の1と定義されていました。 定義は後にクリプトン86の輝線の1つの特定の波長の数に変更されました。 1983年に、重量と測定に関する総評議会はそれらの定義を廃止し、これを採用しました。
ザ・メーターは、真空中の光線が1 / 299,792,458秒で移動した距離です。ここで、秒はセシウム133原子の放射性崩壊に基づいています。
光の速度でメーターを定義すると、基本的に光の速度は299,792,458 m / sに固定されます。 実験で異なる結果が得られた場合、それは単に装置が故障していることを意味します。 科学者は、光速を測定するためにさらに実験を行うのではなく、光速を使用して機器を校正します。
光速を使用して実験装置を校正する
光速は物理学のさまざまな状況で現れ、技術的には他の測定データから計算することができます。 たとえば、プランクは、光子などの量子のエネルギーが、その周波数にプランク定数（h）を掛けたものに等しく、6.6262 x10に等しいことを示しました。-34 ジュール⋅秒。 頻度はc /λ、プランクの方程式は波長の観点から書くことができます：
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ implies c = \ frac {E \ lambda} {h}
光電板に既知の波長の光を照射し、放出された電子のエネルギーを測定することにより、c. ただし、このタイプの光速計算機は、cを測定する必要はありません。cです定義済みそれが何であるかであるために。 ただし、装置のテストには使用できます。 場合Eλ/ hcにならない、電子エネルギーの測定または入射光の波長のいずれかに問題があります。
真空中の光速は普遍的な定数です
メーターは宇宙で最も基本的な定数であるため、真空中の光速の観点からメーターを定義することは理にかなっています。 アインシュタインは、動きに関係なく、すべての基準点で同じであり、宇宙を移動できるもの、少なくとも質量のあるものはすべて最速であることを示しました。 アインシュタインの方程式、そして物理学で最も有名な方程式の1つ、E = mc2、これがなぜそうなのかについての手がかりを提供します。
最も認識しやすい形式では、アインシュタインの方程式は静止している物体にのみ適用されます。 ただし、一般式には次のものが含まれます。ローレンツ因子 γ、 どこ
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
質量のある運動中の物体の場合mと速度v、アインシュタインの方程式を書く必要がありますE = mc2γ. これを見ると、v = 0, γ= 1そしてあなたは得るE = mc2.
ただし、v = c、γは無限大になり、あなたが引き出さなければならない結論は、有限の質量をその速度まで加速するには無限の量のエネルギーが必要になるということです。 別の見方をすれば、光速で質量が無限大になるということです。
メーターの現在の定義では、光速が地上での距離測定の標準になっていますが、宇宙での距離を測定するために長い間使用されてきました。 光年とは、地球の1年間に光が移動する距離であり、9.46×10になります。15 m。
その数メートルは理解するには多すぎますが、光年は理解しやすく、光速はすべての慣性座標系で一定であるため、信頼できる距離の単位です。 年に基づくことにより、信頼性がわずかに低下します。これは、別の惑星の誰とも関係のない時間枠です。