コンテンツ
- 軽い実験
- 天体観測からの光の速度の測定
- 空気中の光の速度と水中の速度の比較
- 光の速度の式を使用する
- レーザーを使用した最新の測定方法
- 光の速度を測定することはもはや意味をなさない
- 光の速度を使用して実験装置を較正する
- 真空中の光の速度は普遍的な定数です
指をはめます！そのためにかかった時間では、光線はほぼ月まで移動することができました。もう一度指を鳴らした場合は、旅行を完了するためのビーム時間を与えます。ポイントは、光が本当に、本当に速く進むということです。
光は素早く移動しますが、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、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には、速度が速すぎます。ガリレオに聞いてください。
軽い実験
ガリレオは1638年にランタンを使用する実験を考案しました。彼が管理できる最善の結論は、光が「非常に高速」であるということです（言い換えれば、非常に高速です）。彼が実際に実験を試みたとしても、彼は数字を思い付くことができませんでした。しかし、彼は光が音の少なくとも10倍の速さで進むと信じていると言ってみました。実際、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Ole Roemerによって行われました。彼は木星の月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、電波干渉計、空洞共振器、レーザーの観測を使用して、測定を改良してきました。彼らは今知っています c 重量と測定に関する一般評議会は、SIシステムの長さの基本単位であるメーターを基にしました。
光の速度は普遍的な定数であるため、光の速度の式はありません。 それ自体。実際、 c メーターはそれに基づいているため、すべての測定値を変更する必要があります。ただし、光には波の特性があり、それには周波数が含まれます ν と波長 λ、これらをこの式で光の速度に関連付けることができます。この式は、光の速度の式と呼ぶことができます。
c =νλ
天体観測からの光の速度の測定
レーマーは、光速の数値を最初に思いついた人物です。彼は木星の月、特にイオの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姿を消すのを見て、それが再出現するのにどれくらいの時間を要したのかを見ました。彼は、この時間は木星が地球にどれだけ近いかによって、1,000秒も異なる可能性があると考えました。彼は214,000 km / sの光速度の値を思いつきました。これは、現在のほぼ300,000 km / s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スブラッドリーは、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異常を観察することにより、光の速度を計算しました。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で、ブラッドリーははるかに正確な数値を思いつきました。彼は、真空中の光の速度を301,000 km / sと計算しました。
空気中の光の速度と水中の速度の比較
光の速度を測定する次の人は、フランスの哲学者アルマン・ヒポリット・フィゾーであり、彼は天体観測に頼っていませんでした。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8 kmに配置されたミラーからな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、光のビームをミラーに向かって通過させ、戻りビームをブロックすることができました。彼の計算 c1849年に彼が発表した315,000 km / sで、ブラッドリーズ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。 cのフーコーの値は298,000 km / 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の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、光の微粒子理論が予測し、光が波であることを確立するのに役立ちました。
1881年、A。A.マイケルソンは、干渉計を構築することでフーコーの測定を改良しました。干渉計は、元のビームと戻るビームの位相を比較し、干渉パターンを画面に表示することができました。彼の結果は299,853 km / sでした。
マイケルソンは、干渉計の存在を検出する干渉計を開発しました 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った彼の実験は失敗であり、アインシュタインは光速はすべての参照フレームで同じ普遍的な定数であると結論付けました。それが特別相対性理論の基礎でした。
光の速度の式を使用する
マイケルソンの価値は、1926年に彼自身で改善されるまで受け入れられました。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改善されてきました。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空洞共振器法です。 1800年代半ばのマクスウェル方程式の発表に続いて、物理学者は光と電気は両方とも電磁波現象であり、どちらも同じ速度で移動することで一致しているため、これは有効な方法です。
実際、マッ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。 2人の研究者、ローザとドーシーは1907年にこれを行い、光の速度を299,788 km / sと計算しました。
1950年、イギリスの物理学者ルイ・エッセンとA.C.ゴードン・スミスは、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の速度を計算しました。光の速度は、光が進む距離に等しい d 所要時間で割った △t: c = d /Δt。単一波長の時間が λ ポイントを渡すことは、周波数の逆数である波形の周期です v、そしてあなたは光の速さの式を取得します：
c =νλ
エッセンとゴードン-スミスが使用するデバイスは、 空洞共振波長計。既知の周波数の電流を生成し、波長計の寸法を測定することで波長を計算できました。彼らの計算では299,792 km / sが得られ、これが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が採用したビーム分割法を復活させますが、レーザーを使用して精度を向上させます。この方法では、パルスレーザービームが分割されます。一方のビームは検出器に向かい、もう一方のビームは短い距離に置かれたミラーに垂直に進みます。ミラーはビームを反射して第2のミラーに戻し、第2のミラーはそれを第2の検出器に偏向します。両方の検出器は、パルス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をなさない
科学界で使用される測定スティックはメーターです。元々、赤道から北極までの距離の1000万分の1であると定義されていましたが、クリプトン86の輝線の1つの特定の波長数になるように後で定義が変更されました。 1983年、重量と測定に関する一般評議会はこれらの定義を廃止し、この定義を採用しました。
の メーター 1 / 299,792,458秒の真空中の光線が移動した距離です。この秒は、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。実験の結果が異なる場合、それは単に装置に欠陥があることを意味します。科学者は、光の速度を測定するためにさらに実験を行うのではなく、光の速度を使用して機器を較正します。
光の速度を使用して実験装置を較正する
光の速度は、物理学のさまざまな短所に現れており、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 x 10に等しいことを実証しました-34 ジュール秒。周波数は c /λ、プランクスの方程式は、波長の観点から記述できます。
E =hν= hc /λ
c =Eλ/ h
既知の波長の光を光電板に照射し、放出された電子のエネルギーを測定することにより、次の値を得ることができます。 c。ただし、cを測定するためにこのタイプの光計算機の速度は必要ありません。 c は 定義済み それが何であるか。ただし、それは装置のテストに使用できます。もし Eλ/ h cにならない場合は、電子エネルギーの測定値または入射光の波長のいずれかに問題があります。
真空中の光の速度は普遍的な定数です
宇宙で最も基本的な定数であるため、真空中の光の速度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、宇宙で移動できる最速のもの、少なくとも質量のあるものでも同じであることを示しました。アインシュタイン方程式、および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の手がかりを提供します。
最も認識しやすい形では、アインシュタインの方程式は安静時の体にのみ適用されます。ただし、一般的な方程式には、 ローレンツ因子 γ、 どこ γ= 1 /√（1- v2/ c2)。質量で動いている体の場合 m と速度 v、アインシュタイン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 無限になり、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だということです。もう1つの見方は、光の速度で質量が無限になることです。
メーターの現在の定義では、光の速度が地球上の距離の測定の標準になっていますが、空間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年で光が移動する距離で、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、光の速度はすべての慣性基準フレームで一定であるため、距離の信頼できる単位です。その年に基づいているため、信頼性がやや低下しました。これは、異なる惑星の誰とも関係のない時間枠です。