【科学】光の速度をつかまえろ！
こんにちはマスター、蓬莱です。
マスターは光の速度がどれくらいかご存知ですよね。秒速30万キロメートル、正確には真空中で秒速29万9792.458キロメートルで、地球７周半ほどの距離を１秒で到達してしまいます。
私達の日常では、光は一瞬で届くために昔の人は「光の速度は無限大」と考えていました。
では「光にも速度があった」と人は、いつ、気付いたのか？そして、どうやって光の速度を測ったのか？それは意外に昔に気付かれて、速度まで計算されていました。
今回はそんな光の速度を捕まえるお話です。
光の速度はどうやったら測れるのか？それを最初に実験して調査したのはガリレオ・ガリレイ。
彼は稲妻を見て光には速度があると思ったそうです。そして二つの丘に人を配置して、ランプとランプを覆う膜を持たせ、一人がランプの膜を外したら、遠く離れたもう一人も膜を取ってランプの光を放ち、最初のランプの位置の人がその時間を計算して速度を出すというものでした。これは光があまりに速すぎて失敗しています。
光に速度があると分かったのは何と300年以上前の1676年、日本では徳川幕府が生類憐れみの令を出す10年前ほどになります。
光に速度があると突きとめたのはデンマークの天文学者、オーレ・クリステンセン・レーマー、そして彼は計算を用いて光の速度も出していました。
彼は木星の周囲を回っている衛星のイオが、木星に隠れる現象を観測しているうちに、イオが隠れる時間は、計算上と実際の観測でズレが発生していることに注目します。
本来は42.5時間おきに、イオは木星の影に隠れないとおかしいのに、長期間の観測では最大で22分ほどのズレが起こっている。そこで、彼は地球の軌道と木星の軌道は接近したり離れたりしているのではないか？
地球と木星の距離が近いときと遠いときの差が、光の到達時間のズレになっているのではないかと。
そして、彼はその軌道のズレの距離と時間から光の速度は秒速で約21.3万キロメートルとはじき出しています。
また1794年、つまり、今からおよそ二百年ちょっと前に、イギリスの天文学者ジェームズ・ブラッドリーが、やはり地球の軌道によって星の位置が計算上ずれてしまう「星の光行差」から、光の速さを計算して秒速30.1万キロメートルと、現代の光の速さに近い値を出しています。
さらに、今から170年ほど前の1849年にフランスの物理学者アルマン・フィゾーが地上の実験にて、初めて光の速度測定に成功しました。
フィゾーは光を等間隔に分割する装置を、歯車を用いて作り上げました。それは筒状で、その筒の中には720枚の歯がついた歯車が1枚仕掛けてあり、その歯車の歯と歯の間を通過させてランプの光を分割しました。
更に光の束を二つ以上に分割するプリズムに似たビームスプリッターという器具を使って、光の束を減らし、計測をしやすくした上に、光を直角に曲げて、その筒に通します。回転する歯車で分割された光は約8.6キロメートル離れた反射鏡で折り返し、その光を歯車の入った筒の中で観測するのです。
つまり、歯車の歯と歯の間をすり抜けた光は、反射して戻って来るのも歯車の歯と歯の間をすり抜けねばなりません。そして歯車の回転数を上げると、何処かでその光は歯車に遮られて通過できなくなり、光が見えなくなるのです。
それはランプの光が歯車の谷間をすり抜けて出て、約8.6キロ離れた鏡に反射され、また約8.6キロ戻ってきた時に歯車の山に当たって遮られる事を意味します。
歯車の谷から山への一個分の時間で往復約17.6キロを旅した光を遮る。これで、距離と時間をはじき出して速度を計算するという途方も無い方法でした。また、歯車の回転数は一定でなければならないため人力でなく重りと連動させて回し、歯車の速度は重りの量で調整しました。
フィゾーが実験で測定した光の速度は秒速約31.3万キロメートル、50年前のブラッドリーより計算値が離れてしまいましたが、地上でも光が測定出来ることを証明しました。
その後も、科学者たちは様々な装置を使って光の速度を求め、1926年での測定値では秒速29万9796キロメートルと現代の数値とほぼ変わらない値が出ています。
また、その後にマイクロ波を使う方法や、レーザーを使う方法によって測定は続けられ、1983年に国際度量衡総会によって光の速度は今の値に定義されたそうです。
掴みどころがないハズの光の速度を、300年以上前に人類は、掴みかけ、150年以上前には光の速度を測れる装置を作っていたという驚きのお話でした。
今回は東北大学・光物性物理研究室・吉澤グループのサイト「光速測定(ページ削除)」のページとウィキペディアの「光速」「オーレ・レーマー」「アルマン・フィゾー」などの項目からお話しました。
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それではまた、らいら〜い🖐
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