ใครเป็นผู้กำหนดความเร็วแสงก่อน? ความเร็วแสงวัดครั้งแรกเมื่อใด? ความเร็วแสงวัดในฟิสิกส์ได้อย่างไร?

แม้ว่าในชีวิตปกติเราไม่จำเป็นต้องคำนวณความเร็วแสง แต่หลายคนก็สนใจปริมาณนี้มาตั้งแต่เด็ก

เมื่อดูฟ้าผ่าในช่วงที่เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง เด็กทุกคนอาจพยายามทำความเข้าใจว่าอะไรทำให้เกิดความล่าช้าระหว่างแสงแฟลชกับฟ้าร้อง แน่นอนว่าแสงและเสียงมีความเร็วต่างกัน ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? ความเร็วแสงคืออะไร และวัดได้อย่างไร?

ในทางวิทยาศาสตร์ ความเร็วแสงคือความเร็วที่รังสีเคลื่อนที่ในอากาศหรือสุญญากาศ แสงคือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดวงตามนุษย์รับรู้ได้ เขาสามารถเคลื่อนไหวได้ในทุกสภาพแวดล้อม ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความเร็วของเขา

ความพยายามที่จะวัดปริมาณนี้มีมาตั้งแต่สมัยโบราณ นักวิทยาศาสตร์สมัยโบราณเชื่อว่าความเร็วแสงนั้นไม่มีที่สิ้นสุด ความคิดเห็นแบบเดียวกันนี้แสดงโดยนักฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 16–17 แม้ว่านักวิจัยบางคน เช่น โรเบิร์ต ฮุค และกาลิเลโอ กาลิเลอี ถือว่ามีความจำกัดก็ตาม

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการศึกษาความเร็วแสงเกิดขึ้นได้สำเร็จโดยนักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์ก Olaf Roemer ซึ่งเป็นคนแรกที่ดึงความสนใจไปที่ความล่าช้าในคราสของดวงจันทร์ Io ของดาวพฤหัสเมื่อเปรียบเทียบกับการคำนวณเบื้องต้น

จากนั้นนักวิทยาศาสตร์กำหนดค่าความเร็วโดยประมาณเป็น 220,000 เมตรต่อวินาที เจมส์ แบรดลีย์ นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษสามารถคำนวณค่านี้ได้แม่นยำยิ่งขึ้น แม้ว่าเขาจะคำนวณผิดเล็กน้อยก็ตาม


ต่อจากนั้นนักวิทยาศาสตร์จากประเทศต่างๆ ก็พยายามคำนวณความเร็วแสงที่แท้จริง อย่างไรก็ตาม มันเป็นเพียงช่วงต้นทศวรรษ 1970 เท่านั้นที่มีการถือกำเนิดของเลเซอร์และเมเซอร์ที่มีความถี่การแผ่รังสีที่เสถียร นักวิจัยจึงสามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ และในปี 1983 ค่าสมัยใหม่ที่สัมพันธ์กับข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ได้ถูกนำไปใช้ เป็นพื้นฐาน

ความเร็วแสงในคำพูดของคุณเองคืออะไร?

พูดง่ายๆ ก็คือ ความเร็วแสงคือเวลาที่แสงตะวันใช้เพื่อเดินทางในระยะทางหนึ่ง เป็นเรื่องปกติที่จะใช้วินาทีเป็นหน่วยของเวลา และใช้มิเตอร์เป็นหน่วยระยะทาง จากมุมมองของฟิสิกส์ แสงเป็นปรากฏการณ์พิเศษที่มีความเร็วคงที่ในสภาพแวดล้อมเฉพาะ

สมมติว่ามีคนวิ่งด้วยความเร็ว 25 กม./ชม. และพยายามแซงรถยนต์ที่วิ่งด้วยความเร็ว 26 กม./ชม. ปรากฎว่ารถเคลื่อนที่เร็วกว่านักวิ่ง 1 กม./ชม. ด้วยแสงสว่างทุกอย่างก็แตกต่าง ไม่ว่ารถและบุคคลจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าใด ลำแสงจะเคลื่อนที่โดยสัมพันธ์กับความเร็วคงที่เสมอ

ความเร็วแสงส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับสสารที่รังสีแพร่กระจาย ในสุญญากาศจะมีค่าคงที่ แต่ในสภาพแวดล้อมที่โปร่งใสอาจมีตัวบ่งชี้ที่แตกต่างกันได้

ในอากาศหรือน้ำค่าของมันจะน้อยกว่าในสุญญากาศเสมอ ตัวอย่างเช่น ในแม่น้ำและมหาสมุทร ความเร็วแสงจะอยู่ที่ประมาณ 3/4 ของความเร็วในอวกาศ และในอากาศที่ความดัน 1 บรรยากาศ จะน้อยกว่าในสุญญากาศ 2%


ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้จากการดูดกลืนรังสีในพื้นที่โปร่งใสและการแผ่รังสีอีกครั้งโดยอนุภาคที่มีประจุ เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าการหักเหของแสง และมีการใช้อย่างแข็งขันในการผลิตกล้องโทรทรรศน์ กล้องส่องทางไกล และอุปกรณ์เกี่ยวกับการมองเห็นอื่นๆ

หากเราพิจารณาสารเฉพาะเจาะจงในน้ำกลั่นความเร็วแสงคือ 226,000 กิโลเมตรต่อวินาทีในแก้วแสง - ประมาณ 196,000 กิโลเมตรต่อวินาที

ความเร็วแสงในสุญญากาศเป็นเท่าใด?

ในสุญญากาศ ความเร็วแสงต่อวินาทีมีค่าคงที่ 299,792,458 เมตร ซึ่งก็คือมากกว่า 299,000 กิโลเมตรเล็กน้อย ในมุมมองสมัยใหม่ถือเป็นที่สุด กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไม่มีอนุภาค ไม่มีเทห์ฟากฟ้าใดที่สามารถเข้าถึงความเร็วที่แสงพัฒนาขึ้นในอวกาศได้

แม้ว่าเราจะคิดว่าซูเปอร์แมนจะปรากฏตัวและบินด้วยความเร็วสูง แต่ลำแสงก็ยังคงวิ่งหนีจากเขาด้วยความเร็วสูงกว่า

แม้ว่าความเร็วแสงจะเป็นความเร็วสูงสุดที่ทำได้ในพื้นที่สุญญากาศ แต่เชื่อกันว่ามีวัตถุที่เคลื่อนที่เร็วกว่า

ตัวอย่างเช่น แสงตะวัน เงา หรือการแกว่งของคลื่นสามารถทำได้ แต่มีข้อแม้ประการหนึ่ง แม้ว่าจะพัฒนาความเร็วพิเศษ พลังงานและข้อมูลจะถูกส่งไปในทิศทางที่ไม่ตรงกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น


ในส่วนของตัวกลางโปร่งใสนั้น มีวัตถุบนโลกที่สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสงค่อนข้างมาก ตัวอย่างเช่น หากลำแสงที่ผ่านกระจกทำให้ความเร็วของมันช้าลง อิเล็กตรอนจะไม่ถูกจำกัดในเรื่องความเร็วของการเคลื่อนที่ ดังนั้นเมื่อส่องผ่านพื้นผิวกระจก พวกมันก็สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสง

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์วาวิลอฟ–เชเรนคอฟ และมักพบเห็นบ่อยที่สุดในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือในส่วนลึกของมหาสมุทร

การวัดความเร็วแสงของโรเมอร์เป็นหลักฐานที่ค้นพบเมื่อวันที่ 7 ธันวาคม พ.ศ. 2219 ว่าความเร็วแสงมีจำกัด กล่าวคือ แสงไม่ได้เดินทางด้วยความเร็วอนันต์อย่างที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ มาดูกันว่าพวกเขาพยายามวัดความเร็วแสงก่อนและหลัง Olaf Roemer อย่างไร

ความเร็วแสง (ค) ไม่ได้วัดในสุญญากาศ มีค่าคงที่ที่แน่นอนในหน่วยมาตรฐาน ตามข้อตกลงระหว่างประเทศในปี พ.ศ. 2526 เมตร หมายถึง ระยะทางที่แสงเดินทางได้ในสุญญากาศในเวลา 1/299,792,458 วินาที ความเร็วแสงคือ 299792458 m/s พอดี นิ้วหมายถึง 2.54 เซนติเมตร ดังนั้น ในหน่วยที่ไม่ใช่หน่วยเมตริก ความเร็วแสงจึงมีค่าที่แน่นอนเช่นกัน คำจำกัดความนี้สมเหตุสมผลเพียงเพราะความเร็วแสงในสุญญากาศคงที่ และความจริงข้อนี้ต้องได้รับการยืนยันจากการทดลอง นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องทดลองหาความเร็วแสงในตัวกลาง เช่น น้ำและอากาศ

จนกระทั่งศตวรรษที่ 17 เชื่อกันว่าแสงเดินทางได้ในทันที สิ่งนี้ได้รับการยืนยันโดยการสังเกตจันทรุปราคา ที่ความเร็วจำกัดของแสง ควรมีการหน่วงเวลาระหว่างตำแหน่งของโลกสัมพันธ์กับดวงจันทร์กับตำแหน่งเงาของโลกบนพื้นผิวดวงจันทร์ แต่ไม่พบความล่าช้าดังกล่าว ตอนนี้เรารู้แล้วว่าความเร็วแสงเร็วเกินกว่าจะสังเกตเห็นความล่าช้า

ความเร็วแสงได้รับการคาดเดาและถกเถียงกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ แต่มีนักวิทยาศาสตร์เพียงสามคนเท่านั้น (เป็นชาวฝรั่งเศสทั้งหมด) ที่สามารถวัดความเร็วแสงได้โดยใช้วิธีทางโลก นี่เป็นปัญหาที่เก่าและซับซ้อนมาก

อย่างไรก็ตาม ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา นักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมข้อมูลมากมายเกี่ยวกับคุณสมบัติของแสง 300 ปีก่อนคริสตกาล ในสมัยที่ยุคลิดสร้างเรขาคณิตของเขา นักคณิตศาสตร์ชาวกรีกรู้เรื่องแสงมามากแล้ว เป็นที่ทราบกันว่าแสงเดินทางเป็นเส้นตรง และเมื่อสะท้อนจากกระจกระนาบ มุมตกกระทบของลำแสงจะเท่ากับมุมสะท้อน นักวิทยาศาสตร์โบราณตระหนักดีถึงปรากฏการณ์การหักเหของแสง มันอยู่ที่ความจริงที่ว่าแสงที่ผ่านจากตัวกลางชนิดหนึ่ง เช่น อากาศ ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกัน เช่น น้ำ จะถูกหักเหไป

คลอดิอุส ปโตเลมี นักดาราศาสตร์และนักคณิตศาสตร์จากอเล็กซานเดรีย ได้รวบรวมตารางมุมตกกระทบและการหักเหของแสงที่วัดได้ แต่กฎการหักเหของแสงถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1621 โดยนักคณิตศาสตร์ชาวดัตช์จากไลเดน วิลเลบรอด สเนลลิอุส ผู้ค้นพบว่าอัตราส่วนของไซน์ของ มุมตกกระทบและมุมการหักเหของแสงจะคงที่สำหรับตัวกลางสองตัวที่มีความหนาแน่นต่างกัน

นักปรัชญาสมัยโบราณหลายคน รวมถึงอริสโตเติลผู้ยิ่งใหญ่และรัฐบุรุษชาวโรมัน ลูเซียส เซเนกา คิดเกี่ยวกับสาเหตุของการปรากฏตัวของรุ้งกินน้ำ อริสโตเติลเชื่อว่าสีต่างๆ ปรากฏขึ้นเนื่องจากการสะท้อนของแสงด้วยหยดน้ำ เซเนกาก็มีความคิดเห็นแบบเดียวกันนี้เช่นกัน โดยเชื่อว่าเมฆซึ่งประกอบด้วยอนุภาคของความชื้นเป็นกระจกชนิดหนึ่ง ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง มนุษย์ตลอดประวัติศาสตร์ของเขาได้แสดงความสนใจในธรรมชาติของแสง ดังที่เห็นได้จากตำนาน ตำนาน ข้อพิพาททางปรัชญา และการสังเกตทางวิทยาศาสตร์ที่มาถึงเรา

เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์สมัยโบราณส่วนใหญ่ (ยกเว้น Empedocles) อริสโตเติลเชื่อว่าความเร็วของแสงนั้นไม่มีที่สิ้นสุด มันคงจะน่าแปลกใจถ้าเขาคิดอย่างอื่น ท้ายที่สุดแล้ว ความเร็วมหาศาลเช่นนี้ไม่สามารถวัดได้ด้วยวิธีการหรือเครื่องมือใดๆ ที่มีอยู่ในขณะนั้น แต่แม้ในเวลาต่อมา นักวิทยาศาสตร์ก็ยังคงคิดและโต้แย้งเกี่ยวกับเรื่องนี้ต่อไป ประมาณ 900 ปีที่แล้ว Avicenna นักวิทยาศาสตร์ชาวอาหรับได้แสดงสมมติฐานว่า แม้ว่าความเร็วแสงจะสูงมาก แต่ก็ต้องเป็นค่าที่จำกัด นี่เป็นความเห็นของ Alhazen นักฟิสิกส์ชาวอาหรับผู้ร่วมสมัยคนหนึ่งของเขาซึ่งเป็นคนแรกที่อธิบายธรรมชาติของพลบค่ำ แน่นอนว่าไม่มีใครมีโอกาสที่จะยืนยันความคิดเห็นของพวกเขาจากการทดลอง

การทดลองของกาลิเลโอ

ข้อพิพาทดังกล่าวอาจดำเนินต่อไปอย่างไม่มีกำหนด เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จำเป็นต้องมีประสบการณ์ที่ชัดเจนและหักล้างไม่ได้ คนแรกที่เริ่มต้นเส้นทางนี้คือกาลิเลโอกาลิเลอีชาวอิตาลีผู้โดดเด่นในความเก่งกาจของอัจฉริยะของเขา เขาเสนอให้คนสองคนยืนอยู่บนยอดเขาห่างกันหลายกิโลเมตรจะส่งสัญญาณโดยใช้โคมไฟที่ติดตั้งบานเกล็ด เขาแสดงความคิดนี้ซึ่งต่อมานำไปใช้โดยนักวิทยาศาสตร์ของ Florentine Academy ในงานของเขา "การสนทนาและการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์สองสาขาใหม่ที่เกี่ยวข้องกับกลศาสตร์และการเคลื่อนไหวในท้องถิ่น" (ตีพิมพ์ในไลเดนในปี 1638)

กาลิเลโอมีคู่สนทนาสามคนคุยกัน คนแรก Sagredo ถามว่า: “แต่การเคลื่อนไหวนี้ควรเป็นประเภทใดและความเร็วเท่าใด? เราควรพิจารณาว่าเกิดขึ้นชั่วขณะหรือเกิดขึ้นทันเวลาเหมือนการเคลื่อนไหวอื่น ๆ หรือไม่? ซิมพลิซิโอ ผู้ถอยหลังเข้าคลองตอบทันทีว่า “ประสบการณ์ในชีวิตประจำวันแสดงให้เห็นว่าแสงจากเปลวไฟปืนประทับอยู่ในดวงตาของเราโดยไม่เสียเวลาแต่อย่างใด ตรงกันข้ามกับเสียงที่มาถึงหูหลังจากผ่านไประยะหนึ่ง” ซาเกรโดคัดค้านสิ่งนี้ด้วยเหตุผลที่ดี: “จากประสบการณ์ที่รู้จักกันดีนี้ ฉันไม่สามารถสรุปเป็นอย่างอื่นได้นอกจากเสียงนั้นจะมาถึงหูของเราในช่วงเวลาที่ยาวกว่าแสง”

ซัลเวียตีเข้าแทรกแซง (แสดงความคิดเห็นของกาลิเลโอ): “หลักฐานเล็กๆ น้อยๆ ของข้อสังเกตเหล่านี้และข้อสังเกตอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันทำให้ฉันต้องคิดหาวิธีบางอย่างเพื่อให้แน่ใจว่าแสงสว่างนั้น เช่น การแพร่กระจายของแสงเกิดขึ้นทันทีทันใดอย่างแท้จริง การทดลองที่ฉันคิดขึ้นมามีดังนี้ คนสองคนต่างถือไฟ ล้อมรอบด้วยตะเกียงหรือสิ่งอื่นที่คล้ายกัน ซึ่งสามารถเปิดและปิดได้ด้วยการขยับมือเมื่อมองเห็นเพื่อนร่วมทางเต็มตา ยืนตรงข้ามกัน “ในระยะศอกหลายศอก ผู้เข้าอบรมเริ่มฝึกปิดและเปิดไฟต่อหน้าเพื่อนของตนจนเห็นแสงของอีกฝ่ายทันทีทันใด.. ฉันจัดการสร้างมันขึ้นมาได้ในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น - น้อยกว่าหนึ่งไมล์ - ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมฉันจึงไม่แน่ใจว่าการปรากฏตัวของแสงตรงข้ามนั้นเกิดขึ้นอย่างกะทันหันจริงๆ หรือไม่ แต่ถ้ามันไม่เกิดขึ้นกะทันหันไม่ว่าในกรณีใดก็ต้องใช้ความเร็วสูงสุด”

แน่นอนว่าวิธีการที่กาลิเลโอมีในสมัยนั้นไม่ยอมให้ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขอย่างง่ายดาย และเขาก็ตระหนักดีถึงเรื่องนี้ การอภิปรายยังคงดำเนินต่อไป โรเบิร์ต บอยล์ นักวิทยาศาสตร์ชาวไอริชผู้มีชื่อเสียงซึ่งให้คำจำกัดความที่ถูกต้องขององค์ประกอบทางเคมีเป็นครั้งแรก เชื่อว่าความเร็วแสงมีจำกัด และโรเบิร์ต ฮุค อัจฉริยะอีกคนในศตวรรษที่ 17 เชื่อว่าความเร็วแสงเร็วเกินกว่าจะกำหนดได้จากการทดลอง . ในทางกลับกัน นักดาราศาสตร์ โยฮันเนส เคปเลอร์ และนักคณิตศาสตร์ เรอเน เดการ์ต ได้ยึดถือมุมมองของอริสโตเติล

โรเมอร์และบริวารของดาวพฤหัสบดี

การเจาะกำแพงนี้ครั้งแรกเกิดขึ้นในปี 1676 เรื่องนี้เกิดขึ้นโดยบังเอิญในระดับหนึ่ง ปัญหาทางทฤษฎีดังที่เคยเกิดขึ้นมากกว่าหนึ่งครั้งในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ได้รับการแก้ไขในการปฏิบัติงานจริงอย่างแท้จริง ความต้องการในการขยายการค้าและความสำคัญที่เพิ่มขึ้นของการเดินเรือทำให้ French Academy of Sciences เริ่มปรับปรุงแผนที่ทางภูมิศาสตร์ ซึ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่ง จำเป็นต้องมีวิธีที่เชื่อถือได้มากขึ้นในการกำหนดลองจิจูดทางภูมิศาสตร์ ลองจิจูดถูกกำหนดด้วยวิธีที่ค่อนข้างง่าย - โดยความแตกต่างของเวลา ณ จุดต่าง ๆ สองจุดบนโลก แต่ในเวลานั้นพวกเขายังไม่รู้วิธีสร้างนาฬิกาที่แม่นยำเพียงพอ นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอให้ใช้ปรากฏการณ์ท้องฟ้าที่สังเกตได้ทุกวันในเวลาเดียวกันเพื่อกำหนดเวลาและเวลาบนเรือของปารีส จากปรากฏการณ์นี้ นักเดินเรือหรือนักภูมิศาสตร์สามารถตั้งนาฬิกาและค้นหาเวลาในปารีสได้ ปรากฏการณ์ดังกล่าวซึ่งมองเห็นได้จากทุกที่ในทะเลหรือบนบก คือคราสของหนึ่งในสี่ดวงจันทร์ใหญ่ของดาวพฤหัส ซึ่งค้นพบโดยกาลิเลโอในปี 1609

ในบรรดานักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานเกี่ยวกับประเด็นนี้คือโอเล โรเมอร์ นักดาราศาสตร์หนุ่มชาวเดนมาร์ก ซึ่งเมื่อสี่ปีก่อนได้รับเชิญจากนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ฌอง ปิการ์ด ให้ทำงานในหอดูดาวแห่งใหม่ในกรุงปารีส

เช่นเดียวกับนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ในยุคนั้น โรเมอร์รู้ว่าช่วงเวลาระหว่างคราสสองดวงของดวงจันทร์ที่ใกล้ที่สุดของดาวพฤหัสนั้นแปรผันตลอดทั้งปี การสังเกตจากจุดเดียวกัน ห่างกัน 6 เดือน ให้ผลต่างสูงสุด 1,320 วินาที 1,320 วินาทีนี้เป็นปริศนาสำหรับนักดาราศาสตร์ และไม่มีใครสามารถหาคำอธิบายที่น่าพอใจได้ ดูเหมือนจะมีความสัมพันธ์บางอย่างระหว่างคาบการโคจรของดาวเทียมกับตำแหน่งของโลกในวงโคจรที่สัมพันธ์กับดาวพฤหัสบดี ดังนั้นโรเมอร์เมื่อตรวจสอบการสังเกตและการคำนวณทั้งหมดนี้อย่างละเอียดแล้วก็สามารถไขปริศนาได้โดยไม่คาดคิด

โรเมอร์สันนิษฐานว่า 1,320 วินาที (หรือ 22 นาที) คือเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางจากตำแหน่งของโลกใกล้กับดาวพฤหัสมากที่สุดในวงโคจรไปยังตำแหน่งที่ไกลจากดาวพฤหัสบดีมากที่สุด ซึ่งโลกสิ้นสุดลงหลังจากหกเดือน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ระยะทางเพิ่มเติมที่แสงเดินทางซึ่งสะท้อนจากดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีจะเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลก (รูปที่ 1)

ข้าว. 1.แผนการให้เหตุผลของโรเมอร์
คาบการโคจรของดาวเทียมที่อยู่ใกล้ดาวพฤหัสบดีมากที่สุดคือประมาณ 42.5 ชั่วโมง ดังนั้นดาวเทียมจึงต้องถูกบดบังโดยดาวพฤหัสบดี (หรือออกจากแถบคราส) ทุกๆ 42.5 ชั่วโมง แต่ตลอดระยะเวลาหกเดือน เมื่อโลกเคลื่อนตัวออกจากดาวพฤหัส มีการสังเกตสุริยุปราคาในแต่ละครั้งโดยมีความล่าช้ามากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเทียบกับวันที่คาดการณ์ไว้ โรเมอร์ได้ข้อสรุปว่าแสงไม่ได้เดินทางในทันที แต่มีความเร็วจำกัด ดังนั้นจึงต้องใช้เวลามากขึ้นเรื่อยๆ ในการไปถึงโลกในขณะที่มันเคลื่อนที่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์และเคลื่อนตัวออกห่างจากดาวพฤหัสบดี

ในสมัยโรเมอร์ เชื่อกันว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรโลกอยู่ที่ประมาณ 292,000,000 กิโลเมตร (182,000,000 ไมล์) โรเมอร์หารระยะทางนี้ด้วย 1,320 วินาที และพบว่าความเร็วแสงเท่ากับ 138,000 ไมล์ (222,000 กม.) ต่อวินาที

เมื่อมองแวบแรกอาจดูเหมือนว่าการได้รับผลลัพธ์เชิงตัวเลขที่มีข้อผิดพลาดดังกล่าว (เกือบ 80,000 กม. ต่อวินาที) ไม่ใช่ความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ แต่ลองคิดถึงสิ่งที่ Roemer ประสบความสำเร็จ นับเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการเคลื่อนไหวซึ่งถือว่ารวดเร็วอย่างไร้ขอบเขตนั้นสามารถเข้าถึงความรู้และการวัดผลได้

ยิ่งไปกว่านั้น ในการทดลองครั้งแรก Roemer ได้รับค่าของลำดับที่ถูกต้อง หากเราคำนึงว่านักวิทยาศาสตร์ยังคงพยายามทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกชัดเจนขึ้นและระยะเวลาของการเกิดสุริยุปราคาของดาวเทียมของดาวพฤหัส ข้อผิดพลาดของโรเมอร์จะไม่เป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าความล่าช้าสูงสุดของสุริยุปราคาดาวเทียมไม่ใช่ 22 นาทีอย่างที่โรเมอร์คิด แต่ประมาณ 16 นาที 36 วินาที และเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกอยู่ที่ประมาณไม่ใช่ 292,000,000 กม. แต่ 300,000,000 กม. หากทำการแก้ไขเหล่านี้กับการคำนวณของ Roemer ปรากฎว่าความเร็วแสงคือ 300,000 กม. ต่อวินาที และผลลัพธ์นี้ใกล้เคียงกับตัวเลขที่แม่นยำที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์ในยุคของเราได้รับ

ข้อกำหนดหลักสำหรับสมมติฐานที่ดีคือ สามารถใช้ในการทำนายที่ถูกต้องได้ จากการคำนวณความเร็วแสง โรเมอร์สามารถทำนายสุริยุปราคาบางดวงล่วงหน้าได้หลายเดือนอย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น ในเดือนกันยายน ค.ศ. 1676 เขาทำนายว่าในเดือนพฤศจิกายน ดาวเทียมของดาวพฤหัสบดีจะปรากฏช้าไปประมาณสิบนาที ดาวเทียมดวงเล็กไม่ทำให้โรเมอร์ผิดหวังและปรากฏตัวในเวลาที่คาดการณ์ไว้ด้วยความแม่นยำเพียงหนึ่งวินาที แต่นักปรัชญาชาวปารีสไม่มั่นใจแม้แต่กับการยืนยันทฤษฎีของโรเมอร์ก็ตาม อย่างไรก็ตาม ไอแซก นิวตันและนักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ผู้ยิ่งใหญ่ คริสเชียน ไฮเกนส์ ออกมาสนับสนุนชาวเดนมาร์ก และต่อมาในเดือนมกราคม ค.ศ. 1729 James Bradley นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษได้ข้อสรุปแบบเดียวกับ Roemer ในลักษณะที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย ไม่มีที่ว่างให้สงสัย โรเมอร์ยุติความเชื่อที่มีอยู่ในหมู่นักวิทยาศาสตร์ที่ว่าแสงเดินทางได้ทันทีโดยไม่คำนึงถึงระยะทาง

โรเมอร์พิสูจน์ให้เห็นว่าแม้ความเร็วแสงจะสูงมาก แต่ก็มีขอบเขตจำกัดและสามารถวัดได้ อย่างไรก็ตาม ขณะแสดงความเคารพต่อความสำเร็จของ Roemer นักวิทยาศาสตร์บางคนยังคงไม่พอใจอย่างสมบูรณ์ การวัดความเร็วแสงโดยใช้วิธีการของเขานั้นอาศัยการสังเกตทางดาราศาสตร์และใช้เวลานาน พวกเขาต้องการดำเนินการวัดในห้องปฏิบัติการโดยใช้วิธีทางโลกล้วนๆ โดยไม่ไปเกินขอบเขตของโลกของเรา เพื่อให้เงื่อนไขการทดลองทั้งหมดอยู่ภายใต้การควบคุม Marin Marsenne นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ผู้ร่วมสมัยและเป็นเพื่อนของ Descartes สามารถวัดความเร็วของเสียงได้เมื่อสามสิบห้าปีที่แล้ว ทำไมเราไม่สามารถทำเช่นเดียวกันกับแสงได้?

มิติที่ 1 ด้วยวิธีทางโลก

อย่างไรก็ตาม การแก้ปัญหานี้ต้องรอเกือบสองศตวรรษ ในปี ค.ศ. 1849 Armand Hippolyte Louis Fizeau นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ค้นพบวิธีการที่ค่อนข้างง่าย ในรูป รูปที่ 2 แสดงแผนภาพการติดตั้งแบบง่าย ฟิโซส่งลำแสงจากแหล่งกำเนิดเข้าไปในกระจก ในแล้วลำแสงนี้ก็สะท้อนไปที่กระจก ก- กระจกบานหนึ่งได้รับการติดตั้งที่ซูเรสเนส ในบ้านของบาทหลวงฟิโซ และอีกกระจกหนึ่งติดตั้งที่มงต์มาตร์ในปารีส ระยะห่างระหว่างกระจกประมาณ 8.66 กม. ระหว่างกระจก กและ ในมีการวางเกียร์ที่สามารถหมุนได้ด้วยความเร็วที่กำหนด (หลักการแฟลช) ฟันของวงล้อที่กำลังหมุนไปขัดขวางลำแสง ทำให้มันแตกเป็นจังหวะ ด้วยวิธีนี้จึงส่งแสงวาบสั้น ๆ ต่อเนื่องกัน

ข้าว. 2.การติดตั้งไฟโซ
174 ปีหลังจากที่โรเมอร์คำนวณความเร็วแสงจากการสังเกตการณ์สุริยุปราคาบนดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี Fizeau ได้สร้างอุปกรณ์สำหรับวัดความเร็วแสงภายใต้สภาพพื้นดิน เกียร์ คทำให้ลำแสงแตกออกเป็นแสงวาบ ฟิโซวัดเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางจากระยะทางนั้น คไปที่กระจก กไปกลับ เท่ากับ 17.32 กม. จุดอ่อนของวิธีนี้คือช่วงเวลาที่มีความสว่างมากที่สุดของแสงถูกกำหนดโดยผู้สังเกตด้วยตา การสังเกตเชิงอัตนัยดังกล่าวยังไม่ถูกต้องเพียงพอ

เมื่อเกียร์อยู่กับที่และอยู่ในตำแหน่งเดิม ผู้สังเกตการณ์สามารถมองเห็นแสงจากแหล่งกำเนิดผ่านช่องว่างระหว่างฟันทั้งสองซี่ ทันใดนั้น วงล้อก็เคลื่อนไปด้วยความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ทันใดนั้น ก็มีจังหวะแสงลอดผ่านช่องว่างระหว่างซี่ฟันกลับมาสะท้อนจากกระจก กและถูกฟันล่าช้า ในกรณีนี้ ผู้สังเกตการณ์ไม่เห็นอะไรเลย เมื่อเกียร์หมุนต่อไป แสงก็ปรากฏขึ้นอีกครั้ง สว่างขึ้น และในที่สุดก็ถึงความเข้มสูงสุด อุปกรณ์ที่ฟิโซใช้มีฟัน 720 ซี่ และแสงมีความเข้มสูงสุดที่ 25 รอบต่อวินาที จากข้อมูลเหล่านี้ Fizeau คำนวณความเร็วแสงได้ดังนี้ แสงเดินทางเป็นระยะทางระหว่างกระจกและด้านหลังในช่วงเวลาที่ล้อหมุนจากช่องว่างระหว่างฟันหนึ่งไปยังอีกฟันหนึ่ง กล่าวคือ สำหรับ 1/25? 1/720 ซึ่งก็คือ 1/18000 วินาที ระยะทางที่เคลื่อนที่ได้เท่ากับสองเท่าของระยะห่างระหว่างกระจก กล่าวคือ 17.32 กม. ดังนั้นความเร็วแสงคือ 17.32 · 18,000 หรือประมาณ 312,000 กิโลเมตรต่อวินาที

พัฒนาการของฟูโกต์

เมื่อ Fizeau ประกาศผลการวัดของเขา นักวิทยาศาสตร์สงสัยในความน่าเชื่อถือของร่างมหึมานี้ เนื่องจากแสงมาถึงโลกจากดวงอาทิตย์ในเวลา 8 นาที และสามารถโคจรรอบโลกได้ในเวลาแปดวินาที ดูเหมือนเหลือเชื่อที่มนุษย์สามารถวัดความเร็วอันมหาศาลเช่นนี้ด้วยเครื่องมือดึกดำบรรพ์เช่นนี้ แสงเดินทางระหว่างกระจก Fizeau มากกว่า 8 กิโลเมตรในเวลา 1/36000 วินาที? เป็นไปไม่ได้ หลายคนบอก อย่างไรก็ตาม ตัวเลขที่ฟิโซได้รับนั้นใกล้เคียงกับผลลัพธ์ของโรเมอร์มาก นี่แทบจะไม่ใช่เรื่องบังเอิญเลย

สิบสามปีต่อมา ในขณะที่ผู้คลางแคลงใจยังคงสงสัยและแสดงความเห็นเชิงประชดประชัน ฌอง เบอร์นาร์ด ลีออน ฟูโกต์ ลูกชายของผู้จัดพิมพ์ชาวปารีสและครั้งหนึ่งกำลังเตรียมตัวเป็นแพทย์ ได้กำหนดความเร็วแสงด้วยวิธีที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย เขาทำงานร่วมกับ Fizeau มาหลายปีและคิดอย่างมากว่าจะปรับปรุงประสบการณ์ของเขาอย่างไร ฟูโกต์ใช้กระจกหมุนแทนการใช้ล้อเฟือง

ข้าว. 3.การติดตั้งของ Foucault
หลังจากการปรับปรุงบางอย่าง Michelson ก็ใช้อุปกรณ์นี้เพื่อกำหนดความเร็วแสง ในอุปกรณ์นี้ ล้อเฟือง (ดูรูปที่ 2) จะถูกแทนที่ด้วยกระจกแบนที่หมุนได้ ค- ถ้าเป็นกระจก คหากไม่เคลื่อนไหวหรือหมุนช้ามาก แสงจะสะท้อนบนกระจกโปร่งแสง บีในทิศทางที่ระบุด้วยเส้นทึบ เมื่อกระจกหมุนอย่างรวดเร็ว ลำแสงสะท้อนจะเคลื่อนไปยังตำแหน่งที่ระบุด้วยเส้นประ เมื่อมองผ่านช่องมองภาพ ผู้สังเกตการณ์สามารถวัดการกระจัดของลำแสงได้ การวัดนี้ทำให้เขามีมุมเป็นสองเท่า? เช่น มุมการหมุนของกระจกในช่วงเวลาที่มีแสงส่องเข้ามา คไปจนถึงกระจกเว้า กและกลับไปที่ ค- รู้ความเร็วการหมุนของกระจก ค, ระยะห่างจาก กก่อน คและมุมการหมุนกระจก คในช่วงเวลานี้ สามารถคำนวณความเร็วแสงได้

ฟูโกต์มีชื่อเสียงในฐานะนักวิจัยที่มีพรสวรรค์ ในปี ค.ศ. 1855 เขาได้รับรางวัล Copley Medal จาก Royal Society of England จากการทดลองลูกตุ้ม ซึ่งเป็นหลักฐานยืนยันการหมุนของโลกบนแกนของมัน นอกจากนี้เขายังสร้างไจโรสโคปตัวแรกที่เหมาะสำหรับการใช้งานจริง การเปลี่ยนล้อเฟืองเป็นกระจกหมุนได้ในการทดลองของ Fizeau (แนวคิดนี้เสนอย้อนกลับไปในปี 1842 โดย Dominico Arago แต่ไม่ได้นำมาใช้) ทำให้สามารถย่นเส้นทางที่เดินทางด้วยลำแสงจากมากกว่า 8 กิโลเมตรเหลือ 20 เมตรได้ กระจกเงา (รูปที่ 3) เบี่ยงเบนลำแสงกลับในมุมเล็กน้อยซึ่งทำให้สามารถดำเนินการวัดที่จำเป็นเพื่อคำนวณความเร็วแสงได้ ผลลัพธ์ที่ฟูโกต์ได้รับคือ 298,000 กม./วินาที กล่าวคือ น้อยกว่ามูลค่าที่ Fizeau ได้รับประมาณ 17,000 กม. (ในการทดลองอื่น ฟูโกต์วางท่อน้ำไว้ระหว่างกระจกสะท้อนและกระจกหมุนเพื่อกำหนดความเร็วแสงในน้ำ ปรากฎว่าความเร็วแสงในอากาศมากกว่า)

สิบปีต่อมา Marie Alfred Cornu ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ทดลองที่ École Polytechnique Supérieure ในปารีส กลับมาที่ล้อเฟืองอีกครั้ง แต่มีฟันถึง 200 ซี่แล้ว ผลลัพธ์ของ Cornu ใกล้เคียงกับครั้งก่อน เขาได้ตัวเลข 300,000 กม. ต่อวินาที กรณีนี้เกิดขึ้นในปี 1872 เมื่อมิเชลสัน นักเรียนปีสุดท้ายที่โรงเรียนนายเรือในแอนนาโพลิส ถูกขอให้สอบเกี่ยวกับทัศนศาสตร์เพื่อพูดคุยเกี่ยวกับอุปกรณ์ของฟูโกต์ในการวัดความเร็วแสง ไม่เคยเกิดขึ้นกับใครเลยในตำราฟิสิกส์ที่นักเรียนรุ่นต่อๆ ไปศึกษา มิเชลสันจะได้รับพื้นที่มากกว่าฟิโซหรือฟูโกต์มาก

ในฤดูใบไม้ผลิของปี พ.ศ. 2422 หนังสือพิมพ์เดอะนิวยอร์กไทมส์รายงานว่า “ดาวดวงใหม่อันสุกใสได้ปรากฏบนขอบฟ้าทางวิทยาศาสตร์ของอเมริกา ร้อยโทรุ่นน้องในการให้บริการกองทัพเรือ สำเร็จการศึกษาจากโรงเรียนนายเรือที่แอนนาโพลิส อัลเบิร์ต เอ. มิเชลสัน ซึ่งอายุยังไม่ถึงยี่สิบเจ็ดปี ประสบความสำเร็จอย่างโดดเด่นในด้านทัศนศาสตร์ เขาวัดความเร็วแสง” ในบทบรรณาธิการชื่อ “วิทยาศาสตร์เพื่อประชาชน” Daily Tribune เขียนว่า “หนังสือพิมพ์ท้องถิ่นของเวอร์จิเนียซิตี้ ซึ่งเป็นเมืองเหมืองแร่ในเนวาดาอันห่างไกล รายงานอย่างภาคภูมิใจว่า “ร้อยโทอัลเบิร์ต เอ. มิเชลสัน บุตรชายของซามูเอล มิเชลสัน ร้านขายของแห้ง เจ้าของเมืองของเรา ดึงดูดความสนใจของคนทั้งประเทศด้วยความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์อันน่าทึ่ง เขาวัดความเร็วแสงได้"

ฟิลิป กิ๊บส์ , 1997

หากคุณพบข้อผิดพลาด โปรดเน้นข้อความและคลิก Ctrl+ป้อน.

ยอดวิว: 162

1) ความเร็วแสงถูกวัดครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก Roemer ในปี 1676 โดยใช้วิธีทางดาราศาสตร์ เขาจับเวลาในช่วงเวลาที่ดวงจันทร์ Io ดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดของดาวพฤหัสอยู่ภายใต้เงาของดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ดวงนี้

โรเมอร์ทำการวัดในขณะที่โลกของเราอยู่ใกล้ดาวพฤหัสมากที่สุด และในขณะที่เราอยู่ห่างจากดาวพฤหัสเล็กน้อยในแง่ดาราศาสตร์ ในกรณีแรก ช่วงเวลาระหว่างการระบาดคือ 48 ชั่วโมง 28 นาที ในกรณีที่สอง ดาวเทียมมาช้าไป 22 นาที จากนี้สรุปได้ว่าแสงต้องใช้เวลา 22 นาทีเพื่อเดินทางเป็นระยะทางจากการสังเกตครั้งก่อนถึงการสังเกตปัจจุบัน ดังนั้น ทฤษฎีเกี่ยวกับความเร็วจำกัดของแสงจึงได้รับการพิสูจน์ และคำนวณความเร็วได้โดยประมาณ ซึ่งมีค่าประมาณ 299,800 กม./วินาที

2) วิธีการทางห้องปฏิบัติการช่วยให้คุณกำหนดความเร็วแสงในระยะทางสั้น ๆ และมีความแม่นยำสูง การทดลองในห้องปฏิบัติการครั้งแรกดำเนินการโดย Foucault และ Fizeau

นักวิทยาศาสตร์และการทดลองของพวกเขา

ความเร็วแสงถูกกำหนดครั้งแรกในปี 1676 โดย O.K. Roemer จากการเปลี่ยนแปลงช่วงเวลาระหว่างสุริยุปราคาของดาวเทียมของดาวพฤหัสบดี เจ. แบรดลีย์ก่อตั้งในปี ค.ศ. 1728 โดยอาศัยการสังเกตความคลาดเคลื่อนของแสงดาวฤกษ์ ในปี ค.ศ. 1849 A.I.L. Fizeau เป็นคนแรกที่วัดความเร็วของแสงตามเวลาที่แสงใช้เพื่อเดินทางในระยะทางที่ทราบอย่างแม่นยำ (ฐาน) เนื่องจากดัชนีการหักเหของอากาศแตกต่างจาก 1 เพียงเล็กน้อย การวัดด้วยพื้นดินจะให้ค่ามาก ใกล้กับความเร็ว

ประสบการณ์ของฟิโซ

การทดลองฟิโซเป็นการทดลองเพื่อหาความเร็วของแสงในตัวกลางที่เคลื่อนที่ (วัตถุ) ซึ่งดำเนินการในปี พ.ศ. 2394 โดยหลุยส์ ฟิโซ การทดลองนี้แสดงให้เห็นถึงผลของการบวกความเร็วเชิงสัมพัทธภาพ ชื่อของฟิโซยังเกี่ยวข้องกับการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับการกำหนดความเร็วแสงในห้องปฏิบัติการ

ในการทดลองของฟิโซ ลำแสงจากแหล่งกำเนิดแสง S ซึ่งสะท้อนด้วยกระจกโปร่งแสง 3 ถูกขัดจังหวะเป็นระยะด้วยจานฟันเฟือง 2 ที่หมุนได้ ซึ่งผ่านฐาน 4-1 (ประมาณ 8 กม.) และสะท้อนจากกระจก 1 ก็กลับมา ไปยังดิสก์ เมื่อแสงกระทบฟัน แสงนั้นไปไม่ถึงผู้สังเกต และแสงที่ตกลงไปในช่องว่างระหว่างฟันนั้นสามารถสังเกตได้ผ่านช่องมองภาพ 4 ขึ้นอยู่กับความเร็วที่ทราบของการหมุนของดิสก์ เวลาที่แสงใช้เพื่อ กำหนดการเดินทางผ่านฐาน ฟิโซได้ค่า c = 313300 กม./วินาที

ประสบการณ์ของฟูโกต์

ในปี พ.ศ. 2405 เจ. บี. แอล. ฟูโกต์นำแนวคิดที่แสดงไว้ในปี พ.ศ. 2381 โดยดี. อาร์โกมาใช้ โดยใช้กระจกที่หมุนอย่างรวดเร็ว (512 รอบต่อวินาที) แทนจานที่มีฟัน เมื่อสะท้อนจากกระจก ลำแสงก็พุ่งไปที่ฐานและเมื่อกลับมาอีกครั้งก็ตกลงไปบนกระจกบานเดียวกัน ซึ่งหมุนไปในมุมเล็กๆ แห่งหนึ่งได้ ด้วยฐานที่ยาวเพียง 20 เมตร ฟูโกต์พบว่าความเร็วแสงอยู่ที่ 298,000,500 กิโลเมตรต่อวินาที แบบแผนและแนวคิดพื้นฐานของวิธีฟิโซและฟูโกต์ถูกนำมาใช้ซ้ำแล้วซ้ำเล่าในงานกำหนดความเร็วแสงในเวลาต่อมา

การกำหนดความเร็วแสงโดยวิธีกระจกหมุน (วิธี Foucault): S – แหล่งกำเนิดแสง; R – กระจกหมุนเร็ว C คือกระจกเว้าคงที่ซึ่งมีจุดศูนย์กลางตรงกับแกนการหมุน R (ดังนั้นแสงที่สะท้อนจาก C จะตกกลับมาที่ R เสมอ) M – กระจกโปร่งแสง L – เลนส์; E – ช่องมองภาพ; RC – ระยะทางที่วัดได้อย่างแม่นยำ (ฐาน) เส้นประแสดงตำแหน่ง R ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาที่แสงเดินทางในเส้นทาง RC และด้านหลัง และเส้นทางย้อนกลับของลำแสงรังสีผ่านเลนส์ L ซึ่งรวบรวมลำแสงสะท้อนที่จุด S' ไม่ใช่ที่ จุด S เช่นเดียวกับกรณีที่มีกระจกนิ่ง R ความเร็วแสงถูกกำหนดโดยการวัดการกระจัด SS'

ค่า c = 299796 4 กม./วินาที ที่ A. Michelson ได้รับในปี 1926 นั้นมีค่าที่แม่นยำที่สุดและรวมอยู่ในตารางปริมาณทางกายภาพสากล ใยแก้วนำแสงความเร็วแสง

การวัดความเร็วแสงในศตวรรษที่ 19 มีบทบาทสำคัญในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งเป็นการยืนยันทฤษฎีคลื่นของแสงมากยิ่งขึ้น การเปรียบเทียบความเร็วแสงในอากาศและน้ำในปี 1850 ของฟูโกต์ แสดงให้เห็นว่าความเร็วของน้ำคือ u = c/n(n) ตามที่ทฤษฎีคลื่นทำนายไว้ มีการสร้างการเชื่อมต่อระหว่างทัศนศาสตร์และทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า: ความเร็วแสงที่วัดได้ใกล้เคียงกับความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งคำนวณจากอัตราส่วนของหน่วยแม่เหล็กไฟฟ้าและไฟฟ้าสถิตของประจุไฟฟ้า

การวัดความเร็วแสงสมัยใหม่ใช้วิธีการ Fizeau ที่ทันสมัย ​​โดยแทนที่ล้อเฟืองด้วยการรบกวนหรือตัวปรับแสงอื่นๆ ที่จะขัดขวางหรือลดทอนลำแสงโดยสิ้นเชิง เครื่องรับรังสีคือตัวคูณตาแมวหรือตาแมว การใช้เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสง โมดูเลเตอร์อัลตราโซนิคที่มีความถี่เสถียรและการเพิ่มความแม่นยำในการวัดความยาวฐานจะช่วยลดข้อผิดพลาดในการวัด และได้ค่า c = 299792.5 0.15 กม./วินาที นอกเหนือจากการวัดความเร็วแสงโดยตรงตามเวลาที่ผ่านไปของฐานที่รู้จักแล้ว ยังมีการใช้วิธีทางอ้อมอย่างกว้างขวาง ทำให้มีความแม่นยำมากขึ้น

การวัดค่า "c" ที่แม่นยำที่สุดนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งไม่เพียง แต่ในแง่ทฤษฎีทั่วไปและสำหรับการกำหนดค่าของปริมาณทางกายภาพอื่น ๆ เท่านั้น แต่ยังเพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติด้วย สำหรับพวกเขาโดยเฉพาะ หมายถึงการกำหนดระยะทางในช่วงเวลาการส่งผ่านของวิทยุหรือสัญญาณแสงในเรดาร์ ระยะแสง ระยะแสง และการวัดอื่น ๆ ที่คล้ายกัน

ช่วงแสง

เครื่องค้นหาระยะแสงเป็นอุปกรณ์จีโอเดติกที่ช่วยให้คุณวัดระยะทางหลายสิบ (บางครั้งหลายร้อย) กิโลเมตรได้อย่างแม่นยำสูง (สูงถึงหลายมิลลิเมตร) ตัวอย่างเช่น เครื่องค้นหาระยะจะวัดระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ด้วยความแม่นยำหลายเซนติเมตร

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์เป็นอุปกรณ์สำหรับวัดระยะทางโดยใช้ลำแสงเลเซอร์

ความเร็วแสงในสุญญากาศคือ “299,792,458 เมตรต่อวินาทีพอดี” ปัจจุบันเราสามารถตั้งชื่อตัวเลขนี้ได้อย่างถูกต้อง เนื่องจากความเร็วแสงในสุญญากาศเป็นค่าคงที่สากล ซึ่งวัดโดยใช้เลเซอร์

เมื่อพูดถึงการใช้เครื่องมือนี้ในการทดสอบ เป็นเรื่องยากที่จะโต้แย้งกับผลลัพธ์ เหตุใดจึงวัดความเร็วแสงเป็นจำนวนเต็มจึงไม่น่าแปลกใจ: ความยาวของเมตรถูกกำหนดโดยใช้ค่าคงที่ต่อไปนี้: “ความยาวของเส้นทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศในช่วงเวลา 1 /299,792,458 วินาที”

เมื่อสองสามร้อยปีก่อน มีการตัดสินใจหรืออย่างน้อยก็สันนิษฐานว่าความเร็วแสงไม่มีขีดจำกัด ทั้งที่จริงๆ แล้วความเร็วแสงนั้นสูงมาก หากคำตอบกำหนดว่าเธอจะมาเป็นแฟนสาวของจัสติน บีเบอร์หรือไม่ วัยรุ่นยุคใหม่จะตอบคำถามนี้ว่า "ความเร็วแสงช้ากว่าสิ่งที่เร็วที่สุดในจักรวาลเล็กน้อย"

คนแรกที่ตอบคำถามเรื่องอนันต์ของความเร็วแสงคือนักปรัชญา Empedocles ในศตวรรษที่ห้าก่อนคริสต์ศักราช อีกศตวรรษต่อมา อริสโตเติลก็ไม่เห็นด้วยกับคำกล่าวของ Empedocles และข้อพิพาทจะดำเนินต่อไปนานกว่า 2,000 ปี

นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ ไอแซก แบ็คแมน เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ค้นพบการทดลองจริงเพื่อทดสอบว่าแสงมีความเร็วหรือไม่ ในปี 1629 ใช้ชีวิตอยู่ห่างไกลจากการประดิษฐ์เลเซอร์มาเป็นเวลาร่วมศตวรรษ Backman ตระหนักว่าพื้นฐานของการทดลองควรเป็นการระเบิดจากแหล่งกำเนิดใดๆ ก็ตาม ดังนั้นในการทดลองของเขา เขาจึงใช้ผงระเบิด

แบ็คแมนวางกระจกไว้ในระยะห่างที่แตกต่างจากการระเบิด และถามผู้คนที่เฝ้าดูอยู่ในภายหลังว่าพวกเขาเห็นความแตกต่างในการรับรู้แสงแฟลชที่สะท้อนในกระจกแต่ละบานหรือไม่ ดังที่คุณอาจเดาได้ การทดลองนี้ "ไม่สามารถสรุปผลได้" การทดลองที่คล้ายกันและมีชื่อเสียงมากกว่า แต่ไม่ต้องใช้การระเบิด อาจเกิดขึ้นหรืออย่างน้อยก็ประดิษฐ์ขึ้นโดยกาลิเลโอ กาลิเลอี เพียงหนึ่งทศวรรษต่อมาในปี 1638 กาลิเลโอก็เหมือนกับแบ็คแมนที่สงสัยว่าความเร็วแสงนั้นไม่มีที่สิ้นสุด และในงานบางชิ้นของเขาเขาได้อ้างถึงความต่อเนื่องของการทดลอง แต่ด้วยการมีส่วนร่วมของไฟฉาย ในการทดลองของเขา (ถ้าเขาเคยทำมาก่อน!) เขาวางไฟสองดวงให้ห่างกันหนึ่งไมล์ และพยายามดูว่ามีความล่าช้าหรือไม่ ผลการทดลองก็ยังสรุปไม่ได้เช่นกัน สิ่งเดียวที่กาลิเลโอบอกได้ก็คือ ถ้าแสงไม่มีที่สิ้นสุด มันก็เร็วเกินไป และการทดลองในขนาดที่เล็กขนาดนี้ก็ถึงวาระที่จะล้มเหลว

สิ่งนี้ดำเนินต่อไปจนกระทั่งนักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์ก Olaf Roemer เริ่มการทดลองอย่างจริงจังด้วยความเร็วแสง การทดลองบนเนินโคมของกาลิเลโอดูเหมือนเป็นโครงงานวิทยาศาสตร์ระดับมัธยมปลายเมื่อเปรียบเทียบกับการทดลองของโรเมอร์ เขาตัดสินใจว่าควรทำการทดลองในอวกาศ ดังนั้นเขาจึงมุ่งความสนใจไปที่การสังเกตดาวเคราะห์และนำเสนอมุมมองเชิงนวัตกรรมของเขาเมื่อวันที่ 22 สิงหาคม ค.ศ. 1676

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในขณะที่ศึกษาดวงจันทร์ดวงหนึ่งของดาวพฤหัส โรเมอร์สังเกตว่าเวลาระหว่างสุริยุปราคาแตกต่างกันไปตลอดทั้งปี (ขึ้นอยู่กับว่าดาวพฤหัสเคลื่อนตัวเข้าหาหรือออกจากโลก) ด้วยความสนใจในเรื่องนี้ โรเมอร์จึงจดบันทึกเวลาที่ไอโอกำลังสังเกตดวงจันทร์อย่างระมัดระวัง และเปรียบเทียบช่วงเวลาเหล่านั้นกับเวลาที่ปกติคาดว่าจะเกิดขึ้น หลังจากนั้นครู่หนึ่ง โรเมอร์สังเกตเห็นว่าในขณะที่โลกอยู่ห่างจากดาวพฤหัสมากขึ้นในขณะที่มันโคจรรอบดวงอาทิตย์ เวลาที่ไอโอปรากฏก็จะล่าช้ากว่าเวลาที่ระบุไว้ในบันทึกก่อนหน้านี้อีก โรเมอร์ (ถูกต้อง) ตั้งทฤษฎีว่าเป็นเพราะแสงใช้เวลานานกว่าในการเดินทางระยะทางจากโลกไปยังดาวพฤหัสบดีเมื่อระยะห่างเพิ่มขึ้น

น่าเสียดายที่การคำนวณของเขาสูญหายไปในเหตุการณ์เพลิงไหม้ที่โคเปนเฮเกนในปี 1728 แต่เรามีข้อมูลจำนวนมากเกี่ยวกับการค้นพบของเขาจากเรื่องราวของคนรุ่นราวคราวเดียวกับเขา รวมถึงจากรายงานของนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ที่ใช้การคำนวณของ Roemer ในงานของพวกเขา สิ่งสำคัญคือจากการคำนวณหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางของโลกและวงโคจรของดาวพฤหัสบดี โรเมอร์สามารถสรุปได้ว่าแสงจะใช้เวลาประมาณ 22 นาทีในการเดินทางเป็นระยะทางเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ในเวลาต่อมา คริสเตียน ไฮเกนส์ ได้แปลงการคำนวณเหล่านี้เป็นตัวเลขที่เข้าใจได้ง่ายขึ้น โดยแสดงให้เห็นว่าโรเมอร์ประมาณการณ์ว่าแสงเดินทางได้ประมาณ 220,000 กิโลเมตรต่อวินาที ตัวเลขนี้ยังแตกต่างจากข้อมูลสมัยใหม่มาก แต่เราจะกลับมาดูอีกครั้งเร็วๆ นี้

เมื่อเพื่อนร่วมงานในมหาวิทยาลัยของโรเมอร์แสดงความกังวลเกี่ยวกับทฤษฎีของเขา เขาบอกพวกเขาอย่างใจเย็นว่าคราสในวันที่ 9 พฤศจิกายน พ.ศ. 2219 จะเกิดขึ้นในอีก 10 นาทีต่อมา เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น ผู้สงสัยก็ประหลาดใจเพราะเทห์ฟากฟ้ายืนยันทฤษฎีของเขา

เพื่อนร่วมงานของ Roemer ประหลาดใจอย่างมากกับการคำนวณของเขา เนื่องจากแม้กระทั่งทุกวันนี้การประมาณความเร็วแสงของเขาก็ยังถือว่าแม่นยำอย่างน่าประหลาดใจ เมื่อพิจารณาว่ามันถูกสร้างขึ้นเมื่อ 300 ปีก่อนเลเซอร์และอินเทอร์เน็ตจะถูกประดิษฐ์ขึ้น แม้ว่าระยะทาง 80,000 กิโลเมตรจะช้าเกินไป แต่เมื่อคำนึงถึงสภาพของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในขณะนั้นแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้ก็น่าประทับใจอย่างแท้จริง ยิ่งกว่านั้น Roemer อาศัยเพียงการคาดเดาของเขาเองเท่านั้น

สิ่งที่น่าแปลกใจยิ่งกว่านั้นคือสาเหตุที่ความเร็วต่ำเกินไปไม่ได้อยู่ในการคำนวณของ Roemer แต่ในความจริงที่ว่าไม่มีข้อมูลที่แม่นยำเกี่ยวกับวงโคจรของโลกและดาวพฤหัสบดีในเวลาที่เขาทำการคำนวณ ซึ่งหมายความว่านักวิทยาศาสตร์ทำผิดพลาดเพียงเพราะนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ไม่ฉลาดเท่าเขา ดังนั้น หากคุณใส่ข้อมูลสมัยใหม่ที่มีอยู่ในการคำนวณดั้งเดิมที่เขาทำ ความเร็วของการคำนวณแสงก็จะถูกต้อง

แม้ว่าการคำนวณจะไม่ถูกต้องทางเทคนิค และเจมส์ แบรดลีย์พบคำจำกัดความที่แม่นยำยิ่งขึ้นของความเร็วแสงในปี 1729 โรเมอร์ก็ลงไปในประวัติศาสตร์ในฐานะบุคคลแรกที่พิสูจน์ว่าสามารถกำหนดความเร็วแสงได้ เขาทำสิ่งนี้โดยสังเกตการเคลื่อนที่ของลูกบอลก๊าซขนาดยักษ์ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 780 ล้านกิโลเมตร

ความเร็วแสงในสุญญากาศ- ค่าสัมบูรณ์ของความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ ในวิชาฟิสิกส์จะใช้อักษรละตินแทน ค.
ความเร็วแสงในสุญญากาศเป็นค่าคงที่พื้นฐาน เป็นอิสระจากการเลือกกรอบอ้างอิงเฉื่อย.
ตามคำนิยามมันก็ใช่เลย 299,792,458 ม./วินาที (มูลค่าประมาณ 300,000 กม./วินาที).
ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษคือ ความเร็วสูงสุดสำหรับการแพร่กระจายของการโต้ตอบทางกายภาพใด ๆ ที่ส่งพลังงานและข้อมูล.

ความเร็วแสงถูกกำหนดอย่างไร?

เป็นครั้งแรกที่มีการกำหนดความเร็วแสง 1676 โอ.เค. โรเมอร์โดยการเปลี่ยนแปลงช่วงเวลาระหว่างสุริยุปราคาของดาวเทียมของดาวพฤหัสบดี

ในปี ค.ศ. 1728 J. Bradley ได้รับการติดตั้งจากการสังเกตความคลาดเคลื่อนของแสงดาวของเขา

ในปี ค.ศ. 1849 A. I. L. Fizeauเป็นคนแรกที่วัดความเร็วของแสงตามเวลาที่แสงใช้เพื่อเดินทางในระยะทางที่ทราบอย่างแม่นยำ (ฐาน) เนื่องจากดัชนีการหักเหของอากาศแตกต่างจาก 1 เพียงเล็กน้อย การตรวจวัดภาคพื้นดินจึงให้ค่าที่ใกล้กับ c มาก
ในการทดลองของฟิโซ ลำแสงจากแหล่งกำเนิด S ซึ่งสะท้อนด้วยกระจกโปร่งแสง N ถูกขัดขวางเป็นระยะด้วยจานฟันเฟือง W ที่หมุนได้ ผ่านฐาน MN (ประมาณ 8 กม.) และสะท้อนจากกระจก M แล้วกลับมาที่ ดิสก์. เมื่อแสงกระทบฟัน แสงนั้นไปไม่ถึงผู้สังเกต และแสงที่ตกลงไปในช่องว่างระหว่างฟันนั้นสามารถสังเกตได้ผ่านช่องมองภาพ E ขึ้นอยู่กับความเร็วที่ทราบของการหมุนของจาน เวลาที่แสงใช้ในการ กำหนดการเดินทางผ่านฐาน ฟิโซได้ค่า c = 313300 กม./วินาที

ในปี ค.ศ. 1862 เจ.บี.แอล. ฟูโกต์นำแนวคิดที่แสดงออกมาในปี 1838 โดย D. Arago โดยใช้กระจกที่หมุนอย่างรวดเร็ว (512 r/s) แทนจานที่มีฟัน เมื่อสะท้อนจากกระจก ลำแสงก็พุ่งตรงไปที่ฐานและเมื่อกลับมาอีกครั้งก็ตกลงไปบนกระจกบานเดิมซึ่งมีเวลาหมุนผ่านมุมเล็กๆ แห่งหนึ่ง ด้วยฐานเพียง 20 เมตร ฟูโกต์พบว่ามีความเร็ว แสงเท่ากับ 29800080 ± 500 กม./วินาทีแผนงานและแนวคิดหลักของการทดลองของ Fizeau และ Foucault ถูกนำมาใช้ซ้ำแล้วซ้ำเล่าในงานต่อมาเกี่ยวกับคำจำกัดความของ s