光の速度はこんなに速いのに、どうやって測定できるのでしょうか?

真空中の光の速度は、自然界で物体が移動する最大速度であると言えます。現在科学界で認められている光の速度は 299792.458km/s です。これは、1 秒間に光が 299792.458 キロメートル移動できることを意味し、これは地球の赤道を約 7.48 周する距離に相当します。

光は非常に速く「走る」のに、科学者はどのようにしてそのような正確な数値を得るのでしょうか?光の速度はどのように測定されるのでしょうか?

ガリレオ - 光に速度があることを初めて認識した人物

17 世紀以前、人々は光の速度は無限であると信じており、ケプラーもデカルトもこれを固く信じていました。しかしガリレオは異なる見解を唱えた。彼は、光の速度は非常に速いが、それでも限界があり、測定できると信じていました。

ガリレオは自分の推測を確認するために、1607 年に光の速度を測定する世界初の実験を設計しました。彼は、AさんとBさんに1.5キロ離れた2つの山の頂上に立ってもらい、2つの丘の光を見る時間差を利用して光の速度を計算したいと考えました。しかし、間隔が非常に短いため、正確に測定することは不可能です。結局、ガリレオの実験は失敗に終わったが、彼は人間による光の速度の測定の真実への扉を開いた。

ローマー - 天文学的測定を行った最初の人物

木星の公転周期は12年です。木星の衛星が木星を周回するたびに、木星の影に入る「日食」が発生します。これは月食に似ています。木星の「衛星日食」は、木星が衛星と太陽の間を移動するときに発生します。

しかし実際には、衛星日食が見られる時間は常に変化しています。これは、地球と木星の位置が常に変化しており、地球と木星の間の距離が一定ではないことを明確に示しています。それだけでなく、この現象の発生は光の速度にも関係しています。

1676年、デンマークの天文学者ロマーは木星のこの衛星の長期観測を実施しました。彼は、衛星日食が実際に観測された時刻が、予想時刻より10分以上遅かったことを発見した。これは地球と木星の間の距離が徐々に長くなり、光が地球に到達する時間もそれに応じて長くなったためだと彼は考えました。したがって、ローマーは光の速度は有限であると結論付けました。彼はまた、光が地球の軌道の半径に等しい距離を移動するのに必要な時間は 11 分であると計算しました。

ローマーは、1676年11月9日午前5時25分45秒に起こる予定だった木星の月食が10分遅れると予測した。最終的な観察結果はローマーの推測を裏付けた。多くの検証と修正を経て、有名な科学者ホイヘンスはローマーの理論を使用して、科学史上初めて光の速度である 214,000 km/s を計算しました。

フィゾー - 地上実験の探検家

地上で光の速度を初めて測定した人物はフランスの物理学者フィゾーでした。彼は光の速度を測定するために、回転する歯車という独創的な装置を設計しました。

「回転する歯車」は歯車、鏡、半透明の鏡で構成されています。光源が放射されると、その光は半透明の鏡を通して鏡に反射され、鏡は観察者の目に光を反射します。真ん中にギアがあります。回転し始めると、人間の目に反射された光がセグメントに分割され、人々はフラッシュを見ることになります。ギアの回転速度と光の移動距離を測定することで、各フラッシュの速度を計算できます。この方法には欠点もありますが、光速度測定の歴史において先駆的な取り組みであり、その後の測定作業の基礎を築きました。

マイケルソン - 光速度測定の達人

マイケルソンは1879年から1926年までの約50年間、光の速度の測定に関する研究を始めました。彼は先人たちの欠点をまとめ、光の速度を測定するための「回転八面体柱法」を考案した。

「回転八面体プリズム法」では、マイケルソンは回転鏡法の回転平面鏡の代わりに正八面体の鋼製プリズムを使用し、それによって光の経路を延長しました。ギア方式ではギア速度の代わりに正確に測定されたプリズム速度を使用することで、時間測定の誤差を低減しました。この実験で、マイケルソンは光の速度を299,796 km/sと計算しました。これは当時最も正確な記録とみなされ、マイケルソンは1907年のノーベル物理学賞を受賞しました。

光速度測定の新時代

マイケルソン以来、250年にわたる光の速度の探究は一時的に終結した。光速度の測定が新たな段階に入ったのは 1929 年になってからでした。新しい実験技術や方法が次々と登場し、光の速度はますます正確になり、最終的には物理学界で定義された値になりました。

➡1937年と1941年にアメリカのアンダーソンが光の速度を2度測定し、最終的にカー効果を利用して光の速度を299,776km/sと測定しました。

➡1949年、アスラクソンはレーダーを使用して電磁波の速度を測定し、その結果は299792km/sでした。

➡1952年、イギリスの実験物理学者フロムはマイクロ波干渉計を使用して光の速度を非常に高い精度で測定しました。この方法で測定された光の速度は 299792km/s です。

➡1960年にレーザーが誕生しました。

➡1972年、米国標準局のエヴェンソンらは、レーザー周波数と真空中の光の波長を測定する方法を使用して、光の速度を299792.458 km/sと測定しました。この値は、1973年に開催された第5回メートルの定義に関する諮問委員会と、1975年に開催された第15回国際度量衡総会において、最終的に国際的に推奨される値として採用されました。

300年以上の測定を経て、ついに光の速度が決定されました。探査の過程で、科学者たちは理論と実践、計算と測定を完璧に組み合わせ、最終的に光の速度の正確な値を得ました。

光速度の決定は、「メートル」という単位の定義に影響を与えるだけでなく、さらなる研究にも役立ちます。光の速度やメートルなどの標準単位は普通のもののように思えるかもしれませんが、人類の文明の進歩を証明しています。科学には限界がなく、人類の世界探検の旅は始まったばかりです。