17 世紀にガリレオは、光が 2 つの丘の間を移動するのにかかる時間を測定することで、光の速度を測定しようとしました。 18世紀、オーレ・レーマーは木星の衛星イオの日食を観測して光速を計算しました。 19世紀、ジェームズ・ブラッドリーは収差を観察して光速を測定しました。 20 世紀に、Froome はレーザー干渉計を使用して光の速度を計算しました。
最初のマグレブ列車は 2004 年に運行を開始して以来、乗客を魅了し続けています。世界最速の旅客列車は時速 431 km という驚異的な速度で走行し、周囲の空気を切り裂き、列車の機首の先端にくっついた誰かがワームホールをロケットで突き破る様子を映し出します。この速度では、ニューヨークとロサンゼルスの間のストレッチは 7 時間未満でカバーされます。しかし、人類の最も爽快な発明の 1 つは、自然の驚異の 1 つと比較すると、依然として天文学的に劣っています。光は 299,792.458 km/s または 107,925,28,48.8 km/hr という不可解な速度で移動します。リニアモーターカーは、光速の約 0.00004% で移動します。
私は誇張したり、誇張した派手な形容詞を使用してその大きさを説明したりしていません.速度は文字通り理解できません。私たちの精神機能は、オブジェクトが非常に速く動くことを評価する準備ができていません。それでも、適切な視点から見ると、巨大な速度を計算することは骨の折れる作業ではありません。最も簡単な方法は、1 周の経過時間を観察しながら、既知の距離のサーキットをオブジェクトに移動させることです。距離をこの時間で割ると、オブジェクトが任意の単位時間あたりに移動する任意の距離単位の距離が得られます。ものすごく単純。この方法は、転がる石、疾走するチーター、リニアモーターカーの速度を測定するのに有利です。
現存する最速の男であるウサイン ボルトは、2009 年の最後の 100 m スプリントで記録的な 44.72 km/h で走りました。これは光速のわずか 0.000004% 未満です。
しかし、地球上の光の速度を測定することは不可能に思えます。では、どのようにして小数点以下 3 桁まで測定し、それに基づいて距離の標準単位であるメートルを定義したのでしょうか?
ガリレオのランプ
アリストテレス以前の「科学者」は、大部分が経験的哲学者であり、その観察は知覚によって制限されていました。光は燃えるトーチから石の写本まで非常に速く移動したため、人々は自然に光が瞬時に伝達され、その速度は無限であると信じていました。実際、光は非常に速いので、日食中に月に映る地球の影の位置に目立った遅れはありません!史上最も優れた論理学者の 1 人であるアリストテレスは、この主張に反論しましたが、最終的に、議論はその輝きを失い、批判は休眠状態になりました。 17 世紀、つまりガリレオが再演するまで。
しかし、今回のガリレオは、彼の認識ではなく、当時のテクノロジーに縛られていました。ガリレオは速度を劇的に弱体化させ、地上で測定しようとしました。彼と彼のアシスタントは、離れた 2 つの丘の上に立っており、それぞれが明るい光源を持っていて、それを覆い隠していました。
ガリレオは彼のアシスタントに彼の光源を明らかにするように頼みました、そしてその照度を目撃すると、ガリレオは同じことをしました.ガリレオは最も簡単な方法を探しました。彼は、アシスタントの光を目撃するまでの経過時間を測定し、それらの間の距離の知識と組み合わせて、光の速度を計算しました。もちろん、彼の結果は「決定的ではありません」であり、彼は独善的な発言で結論を下しました。うん、ありがとう、ガリレオ…誰が知ってた?
1636 年のガリレオ、実験で惨めな失敗をした後、カラーで。
ムーンウォッチングと星空観察
光の伝達が瞬間的ではなく、その光子が有限の速度で疾走する場合、この値の明らかな法外さに関係なく、すべての暗い隅に到達するには、どんなに些細なことであっても時間がかかります。天文学的な距離を移動することになっている場合、光のペースは挑戦される可能性があります。 1676 年に Ole Roemer は、この制限を利用して光の速度を計算しました。とはいえ、彼にはそれを測定するインセンティブはありませんでした。 Roemer は実際に lo, に魅了されました 木星の 4 つの最も内側の衛星の 1 つで、軌道を回っている間に木星の巨大で圧倒的な影の中に消え、暗闇を抜け出し、太陽の光に照らされました。
Roemer は注意深く観察し、太陽、地球、木星の配置に応じて、日食の予測時刻と実際に観測された時刻に違いがあると予測しました。 Roemer は、地球と木星がそれぞれの軌道上で互いに遠ざかったり近づいたりするにつれて、望遠鏡に到達する光が伸びたり縮んだりしたと推論しました。光がわずかに長い距離を移動しなければならなかったため、時間が伸びました。彼の同僚が彼の発見を考慮して疑わしいと表明したとき、レーマーは同じ年の11月9日の月食が10分遅れると冷静に予測しました。彼らが当惑したことに、彼の予測は的を射ていました。
ドラコという名前は、ラテン語の draconem に由来します。 、これは「巨大な蛇」に変換されます。星座は龍に似ています。 (写真提供:ティル・クレドナー / ウィキメディア・コモンズ)
その後、彼の発見を使用して、レーマーは光の速度を 214,000 km/s と概算しました。 80,000 km/s 遅いにもかかわらず、彼が 300 年前にこの値に到達したことを考えると、彼の才能は驚くべきものであり、過去 50 年間にわたって私たちが自由に使える技術よりも早く.実際、彼の計算は当時正しいと信じられていた惑星距離に依存していたため、彼の概算は真の値から逸脱していました。彼の前任者によって提供された距離は不正確であり、正しい距離で彼の数値を使用すると、ご想像のとおり、光の速度に非常に近い結果が得られます。天才。
それでも 80,000 km/s 不足しているため、天文学者はエラーを最小限に抑えるために骨の折れる作業を続けました。 1728年、ジェームズ・ブラッドリーは収差を観察して光速を推定しました。収差とは、光の動きと観察者の黙認による、星または天体の位置のわずかな変化です。ジェームズは、北天の星座であるドラコで星を観察し、地球が太陽の周りを公転するにつれて、その見かけの位置が年間を通じて変化することを発見しました。彼は星明かりの偏角と太陽の周りの地球の速度を使用し、光の速度を 301,000 km/s と計算しました。はい、それは間違っていますが、繰り返しになりますが、テクノロジーが不足しているにもかかわらず、ジェームズがどれだけ近づいたかを評価する必要があります。それでも、その数は十分に近いものではありません.
クローズイン
非常に単純化されていますが、フィゾーの実験は次のようになります。フィゾーは、多数の凸レンズを使用して、光を狭いビームに収束させました。
それから 1 世紀後の 1849 年、アルマン フィゾーは光速の測定に着手しました。フィゾーは、天の恐ろしい孤独な孤立を無視して、地上でそれを測定した最初の人物でした。フィゾーの装置には、光源、反射鏡、および光線が通過するホイールが含まれていました。ミラーは光源から一定の距離を置いて配置され、その間でホイールが回転します。光のビームはホイールを 2 回横切りました。1 回目はミラーに向かって移動し、2 回目は反射して戻ってきました。
最初、光はランダムにホイールの歯を通過しましたが、フィゾーは徐々に回転速度を調整し、光が出発時にギャップを通過し、到着時に連続したギャップを通過するようにしました。鏡と光源の間の距離と車輪の回転速度を知って、フィゾーは光の速度を約 315,000 km/s と計算しました。しかし、レオン・フーコーは、回転ミラーを含む改良された装置を使用し、値を 298,000 km/s まで引き下げました。まだ 1 ～ 2 インチ遅れています。
マクスウェルが電磁気学の法則を私たちに残した後、光速「c」は、自由空間の透磁率と電気誘電率の積の平方根の逆数によって得られるようになりました。 1907 年、ローザとドーシーはこれを 299,788 km/s と計算しました。これは当時の最も正確な値です。その後、時代を超越した衰えることのない好奇心にテクノロジーが追いつき、1958 年に Froome はレーザー干渉計の助けを借りて、光の速度を 299,792.5 km/s と計算しました。これは本当の値に非常に近いものでした!
セシウムまたは原子時計は、これまでに開発された中で最も正確な時計です。 (写真提供:phys.org)
その後、科学者たちは、高度に洗練された原子標準に基づく現在および将来の測定が技術によって制約されるのではなく、単位自体の定義の不確実性が原因であることに気付きました。メートルのあいまいな定義は、後世の実験の正確性を脅かしました。光速の値は 1 m/s の誤差の範囲内で知られていましたが、科学者は鎧のすべての隙間を取り除く必要があることに気付きました。そうすることで、1 メートルの間違いのない定義を構築することができました.
ボルダー コロラド州の国立標準局は、ヘリウム ネオン レーザーと細心の注意を払って正確なセシウム時計を使用して、光の速度を測定しました。彼らは、真空中の光の速度が *ドラムロール* 299,792,458 m/s または 299,792.458 km/s であるように、1/299,792,458 秒間に光が真空中を移動する距離としてメートルを定義しました。瞬時ではありませんが、はい、非常に
