光の速度はどのように測定されるのでしょうか?

光が非常に速く伝わることは誰もが知っています。 1秒間に30万キロメートルを移動し、1秒間に地球を7周半周することができます。人間はどうやってこんなに速い速度を測定するのでしょうか?

1. ガリレオの測定

古代ギリシャでは、人々は光の速度の大きさについてあまり明確に理解していませんでした。アリストテレスなど一部の科学者は、光の速度は無限であるとさえ信じていました。さらに興味深いのは、光は目から放射されており、目を開けるとすぐに遠くの星が見えるのだから、光の速度は無限であるに違いないと信じている人がいることです。

ルネッサンス後、近代科学の先駆者であるガリレオは、1638年に光の速度を測定する最初の実験を行いました。

ガリレオとその助手は、それぞれ手にランプを持って、離れた二つの丘の上に立っていました。ガリレオは最初にランプを覆いました。助手はガリレオがランプを覆っているのを見て、すぐに自分のランプを覆いました。ガリレオのアイデアは、ランプを覆った時点と、助手がランプを覆うのを見る時点の間の時間差を測定するというものでした。この間、光は二人の間を往復しただけなので、光の速度を測定することができました。

しかし、光の速度は非常に速いため、この実験で光の速度を測定することは不可能です。 2 人の反応時間と光を覆っていた時間を無視すると、光がこの距離を移動するのにわずか数マイクロ秒しかかかりませんが、当時の機器の状態では測定不可能でした。ガリレオはまた、この実験で光の速度を測定したわけではなく、光の速度が有限か無限かを決定したわけでもないことを認めた。しかし、ガリレオはこう言いました。「光の速度が有限だとしても、それは信じられないほど速いに違いない。」

2. 木星を使って光の速度を測定する

光の速度の実際の測定は、デンマークの天文学者オーレ・レーマーによって始まりました。

1610 年、ガリレオは改良した望遠鏡を使用して木星の 4 つの衛星を発見しました。そのうちイオは木星に最も近く、42.5 時間ごとに木星を周回します。さらに、イオの軌道面は太陽の周りを回る木星の軌道に非常に近いため、イオが木星の裏側に回ることもあり、太陽の光がイオに届かず、地球上の人々はこの衛星を見ることができません。これはイオ日食と呼ばれます。

概略図を見てみましょう。地球は太陽 A の周りを円軌道 FGLK で反時計回りに回っており、イオは木星 B の周りを反時計回りに回っています。木星の後ろの CD の間の領域は木星の影です。イオがこの影に入ると、太陽光が届かず、人々はイオを見ることができません。つまり、イオが C 地点に到達すると、イオは消滅します。これを「消失」と呼びます。イオが影から出てきた場合、人々に観測することができ、つまりイオがD地点に到達したときに現れることになり、これを「出現」と呼びます。

ローマーはこの現象を利用して光の速度を測定しました。

まず、地球が木星に近づくときに消えたり現れたりする様子を研究します。

イオがポイント C に到達すると影に入り、この現象から生じる光は地球に到達するまでに一定の距離を移動する必要があります。光が C から地球に伝わるときに地球が点 F にあると仮定すると、イオが影に入る時間より少し遅れて消失現象が観測され、この時間は CF の長さと光速の比に等しくなります。

イオがポイント D に到達すると、影から抜け出して再び太陽光を反射します。この現象も地球に到達するまでにしばらく時間がかかります。地球は動いているため、この光線が地球に到達したときに地球が点 G にあると仮定すると、イオが影から出てくる時間より少し遅れて影の現象が観測されることになります。この時間は、DG の長さと光速の比に等しくなります。

しかし、CF は DG よりも長いため、消失現象の遅延は出現現象の遅延よりも長くなり、つまり、消失は遅く発見され、出現は早く発見されます。消失と再出現の間の時間間隔は、イオが影の中にいる時間よりも短い。この関係は折れ線グラフを使用して表すことができます。

同様に、地球が木星から遠ざかるにつれて、地球が消えたり再び現れたりすることについても議論することができます。

地球が L に到達したときに木星が消え、K に到達したときに再び現れる場合、地球は木星から遠ざかっているため、LC の長さは KD の長さよりも短くなります。地球がイオの消失を早く発見し、出現を遅く発見した場合、消失と出現の間の時間間隔は、イオが木星の影の中にある実際の時間よりも長くなります。

1671年から1673年にかけて、レーマーは多くの観測を行い、地球が木星から遠ざかっているときには、消えてから再び現れるまでの時間差が木星に近づいているときよりも7分長くなっており、光の速度は桁違いであると結論付けました。

ニュートンとホイヘンスという二人の偉大な科学者は、光が粒子か波かについて延々と議論しましたが、光の速度を測定するという点では両者ともローマーの方法を支持しました。ニュートンはまた、光が太陽から地球まで到達するのに 8 分かかることも測定しました。つまり、私たちが見ている太陽は 8 分前の太陽ということになります。

3. マイケルソンとフーコーの実験

200年後、光の速度の測定精度を大幅に向上させた最初の人物は、アメリカの物理学者マイケルソンでした。

1877年から1879年にかけて、マイケルソンはフーコーが発明した回転鏡を改良した。概略図は以下のとおりです。

マイケルソンの光速度測定装置の概略図

マイケルソンは、八面体 M1 と反射装置 M2M3 を離れた 2 つの場所に配置しました。彼は、光線が八面体のミラー 1 で反射されて放出され、その後 M2 と M3 を通って八面体に戻り、ミラー 3 で反射されてから観測接眼レンズに入るようにしました。観測接眼レンズには、図に示す位置にあるときのみ光が存在します。八面体を少し回転させると、界面 1 で反射した光が M2 を照らすことができなくなり、観察接眼レンズに光が見えなくなります。

八面体を回転させ、角速度を徐々に上げていくと、ある角速度で再び観測接眼レンズから光が見えることがわかります。これは、インターフェース 1 が 45 度の角度で傾くと、光がインターフェース 1 で反射されて M2 に到達するためです。八面体に戻ると、八面体は 1 グリッド (1/8 周期) だけ回転するため、インターフェース 2 は図のミラー 3 の位置まで移動し、光を観測接眼レンズに反射します。視覚の持続性により、接眼レンズに光が常に見えるように見えます。

左右の装置間の距離をLとすると、八面体の回転周期がTのとき、観測ミラーから光が見える。 Lは他の部分の長さよりもはるかに長いため、光がインターフェース1から左へ移動し、八面体に戻るまでの距離はおよそ

S=2L

先ほどの解析によれば、光は1往復し、八面体ミラーは1グリッド分だけ移動し、時間は

t=T/8

光の速度は

この原理に基づいて、マイケルソンは光の速度を 299853±60km/s と測定しました。これは、今日私たちが測定しているより正確な値に非常に近い値です。

現在、人々はより正確な方法を使用して真空中の光の速度を 299792458 m/s として測定し、光の速度を使用して「メートル」の概念を定義しています。 1メートルは、光が真空中を1秒の299,792,458分の1で移動する距離に相当します。距離が非常に大きい場合は、光年の概念が使用されます。1 光年は、おおよそ光が 1 年間に移動する距離に相当します。私たちが何百万光年も離れた星を見ることができるのは、それらの星が何百万年も前に輝き始め、その光が今日になって初めて地球に届いたからです。言い換えれば、私たちが目にしているのは、何百万年も前の姿なのです。それらが今日でも存在するかどうかはまだ不明です。

終わり

出典：李永楽氏