ความเร็วของแสงยังเป็นตัวแปรสำคัญของแสง ความมุ่งมั่นในประวัติศาสตร์ของการพัฒนาเลนส์มีความสำคัญพิเศษและสำคัญมาก ไม่เพียงแต่เพื่อส่งเสริมการพัฒนาเชิงลึกของการทดลองทางแสงเท่านั้น แต่ยังทำลายแนวคิดดั้งเดิมของ ความเร็วแสงอนันต์ ในการพัฒนาการศึกษาเชิงทฤษฎีของฟิสิกส์ การกำหนดความเร็วแสงสำหรับทฤษฎีอนุภาคและทฤษฎีความผันผวนของการอภิปรายนั้นเป็นพื้นฐานในการตัดสิน และท้ายที่สุดก็ส่งเสริมการค้นพบและพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์
ความเร็วแสงวัดได้อย่างไร
1. บทนำเรื่องการวัดความเร็วแสง
มีการโต้เถียงกันในวิชาฟิสิกส์เกี่ยวกับความเร็วแสง ทั้งเคปเลอร์และเดส์การตส์เชื่อว่าแสงเดินทางโดยไม่มีเวลาและในทันทีทันใด กาลิเลโอเชื่อว่าความเร็วแสงสามารถวัดได้ แม้จะเร็วผิดปกติก็ตาม และในปี 1607 กาลิเลโอได้ทำการทดลองครั้งแรกสุดเพื่อวัดความเร็วแสง วิธีการวัดของกาลิเลโอคือให้คนสองคนยืนอยู่ห่างกัน 1.6093 กม. บนยอดเขาสองลูก โดยแต่ละคนมีตะเกียง เป็นคนแรกที่ยกตะเกียง เมื่อคนที่สองเห็นตะเกียงของคนแรกยกตะเกียงของตัวเองทันที คนแรกที่ยกโคมไฟเพื่อดูโคมไฟของคนที่สองคือช่วงเวลาระหว่างเวลาการแพร่กระจายของแสง จากนั้นตามระยะห่างระหว่างทั้งสองสถานที่จะได้ความเร็วของการแพร่กระจายของแสง อย่างไรก็ตามเนื่องจากความเร็วของการแพร่กระจายของแสงนั้นเร็วเกินไปประกอบกับผู้สังเกตการณ์จะต้องมีเวลาตอบสนองที่แน่นอนด้วย ดังนั้น ความพยายามของกาลิเลโอจึงไม่ประสบผลสำเร็จ แต่การทดลองของกาลิเลโอเป็นการเปิดประวัติศาสตร์ของมนุษย์เกี่ยวกับความเร็วของการแพร่กระจายของแสงเพื่อวัดความเร็วของการแพร่กระจายของแสง โหมโรงในการศึกษา
2. การวัดทางดาราศาสตร์
ในปี ค.ศ. 1676 โรเมอร์ นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กเสนอวิธีการวัดความเร็วแสงที่มีประสิทธิผลมากกว่าเป็นครั้งแรก กระบวนการตามคาบใดๆ ก็ตามสามารถใช้เป็น "นาฬิกา" ได้ และเขาประสบความสำเร็จในการค้นหานาฬิกาของดาวพฤหัสบดีซึ่งอยู่ห่างจากโลกมาก นั่นคือดาวเทียมที่ถูกบดบังโดยดาวพฤหัสบดีทุกๆ ช่วงระยะเวลาหนึ่ง เขาสังเกตว่าช่วงเวลาระหว่างดาวเทียมสุริยุปราคา 2 ครั้งติดต่อกัน เมื่อโลกเคลื่อนตัวกลับจากดาวพฤหัส มากกว่าการเคลื่อนที่ของโลกไปยังดาวพฤหัสบดีนานกว่าเวลาต่างกันประมาณ 15 วินาที โรเมอร์ผ่านการสังเกตการณ์สุริยุปราคาดาวเทียมของดาวพฤหัสบดีและเส้นผ่านศูนย์กลางวงโคจรของโลกที่มีความเร็วแสง: 214,300 กม. ต่อวินาที ค่านี้จากความเร็วแสงของความแม่นยำของค่าความแตกต่างนั้นใหญ่มากแต่นี่ไม่ใช่วิธีการวัดที่ไม่ถูกต้องสิ่งสำคัญคือเมื่อรู้รัศมีของวงโคจรของโลกเป็นเพียงการประมาณเท่านั้น ในขณะที่การวัดคาบดาวเทียมคราสยังไม่แม่นยำเพียงพอ ต่อมา นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการถ่ายภาพเพื่อวัดเวลาของสุริยุปราคาดาวเทียมของดาวพฤหัสบดี และความแม่นยำในการวัดรัศมีวงโคจรของโลกได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น โดยใช้วิธีโรเมอร์เพื่อค้นหาความเร็วของการแพร่กระจายของแสงที่ 299840 ต่อวินาที 60 กม. ซึ่งใกล้กับมาก ค่าที่แม่นยำของการวัดในห้องปฏิบัติการที่ทันสมัย
ในปี ค.ศ. 1728 แบรดลีย์ นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ วัดความเร็วแสงโดยใช้วิธีแยกความแตกต่างระหว่างดาวฤกษ์ที่แสงเดินทาง ขณะสำรวจดาวฤกษ์บนโลก แบรดลีย์สังเกตเห็นว่าตำแหน่งปรากฏของดาวฤกษ์เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา และภายในหนึ่งปี ดาวฤกษ์ทุกดวงดูเหมือนจะโคจรรอบวงรีโดยมีแกนยาวครึ่งความยาวเท่ากันรอบจุดสุดยอดเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ เขาให้เหตุผลว่าปรากฏการณ์นี้เกิดจากการที่แสงจากดวงดาวเดินทางมายังพื้นโลกต้องใช้เวลาระยะหนึ่ง และในช่วงเวลานี้โลกได้เปลี่ยนตำแหน่งตามการหมุนรอบ โดยเขาวัดความเร็วแสงได้ 299,930 กิโลเมตรต่อรอบ ที่สอง.
3. การวัดเกียร์
ในปี ค.ศ. 1849 ฟิสโซต์ นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ใช้อุปกรณ์ทดลองที่ออกแบบมาเพื่อกำหนดความเร็วของการแพร่กระจายของแสงเป็นครั้งแรก และหลักการวัดของเขาก็คล้ายคลึงกับของกาลิเลโอ พระองค์ทรงวางแหล่งกำเนิดแสงจุดไว้ที่จุดโฟกัสของเลนส์ ระหว่างเลนส์กับแหล่งกำเนิดแสงเพื่อใส่เกียร์ ไว้ในเลนส์ที่อยู่อีกด้านหนึ่งของเลนส์อีกข้างหนึ่ง และมีกระจกระนาบวางเรียงกัน กระจกระนาบจะอยู่ในโฟกัสของเลนส์ตัวที่สอง แหล่งกำเนิดแสงจุดที่ปล่อยออกมาจากแสงที่ผ่านเกียร์และเลนส์เป็นแสงคู่ขนาน แสงคู่ขนานผ่านเลนส์ตัวที่สอง จากนั้นในกระจกระนาบมารวมกันที่จุดหนึ่งในกระจกเครื่องบินหลังจากการสะท้อนกลับในวิธีเดิม เนื่องจากเกียร์มีช่องว่างและฟัน เมื่อแสงผ่านช่องว่าง เมื่อผู้สังเกตมองเห็นแสงย้อนกลับ เมื่อแสงเกิดขึ้นชนฟันจะถูกบดบัง เวลาตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงการหายไปของแสงย้อนกลับครั้งแรกคือเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปกลับหนึ่งเที่ยว และตามความเร็วของเกียร์ คราวนี้ก็รู้ได้ไม่ยาก ด้วยวิธีนี้ ฟิสเชอร์วัดความเร็วแสงเป็น 315,000 กิโลเมตรต่อวินาที และเนื่องจากเฟืองมีความกว้างระดับหนึ่ง จึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดความเร็วของการแพร่กระจายของแสงอย่างแม่นยำโดยใช้วิธีนี้
ในปี ค.ศ. 1850 ฟูโกต์ นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ปรับปรุงวิธีการของฟิสโซโดยใช้เพียงเลนส์ กระจกระนาบที่หมุนได้ และกระจกเว้า แสงที่ขนานกันมาบรรจบกันที่ศูนย์กลางของกระจกเว้าผ่านกระจกระนาบที่หมุนอยู่ และความเร็วการหมุนของกระจกระนาบที่เท่ากันก็สามารถใช้เพื่อค้นหาเวลาการเดินทางไปกลับของลำแสงได้ และความเร็วของแสงที่วัดได้ด้วยวิธีนี้คือ 298 ,000 กม. ต่อวินาที
4. วิธีการวัดด้วยไมโครเวฟ
คลื่นแสงเป็นส่วนเล็กๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าของพารามิเตอร์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแต่ละชนิดจะทำการวัดที่แม่นยำ ในปี พ.ศ. 2493 ไอเซนได้เสนอวิธีการเรโซแนนซ์แบบคาวิตี้เพื่อวัดความเร็วแสง หลักการวัดคือ:ไมโครเวฟผ่านช่อง เมื่อความถี่เป็นค่าที่แน่นอนจะสะท้อน ความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ lam และช่องเรโซแนนซ์ของเส้นรอบวงของเส้นรอบวงของความสัมพันธ์ระหว่าง R เป็น:
R=2.404825λ
แล้วผลคูณของความยาวคลื่นและความถี่จะได้ความเร็วแสง การวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของช่องเรโซแนนซ์อย่างแม่นยำสามารถกำหนดความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ที่แน่นอนได้ ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องสามารถวัดได้อย่างแม่นยำด้วยวิธีอินเทอร์เฟอโรเมตริก ความถี่แม่เหล็กไฟฟ้าสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำโดยวิธีความถี่ดิฟเฟอเรนเชียลทีละขั้นตอน ไอเซนกับวิธีที่เขาเสนอเพื่อให้ได้ความเร็วแสง 299792.5 วินาที 1 กม. ต่อวินาที ซึ่งมีความแม่นยำในการวัด 10-7
5. การวัดด้วยเลเซอร์
ในปี 1972 สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโลราโด สหรัฐอเมริกา ได้ใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรเมทรีเพื่อกำหนดความเร็วของแสง โดยให้ค่า c=299792456.2±1.1m/s และได้รับความแม่นยำในการวัด สูงสุดถึง 10-9 ซึ่งมีความแม่นยำมากกว่าการวัดครั้งก่อนถึง 100 เท่า เนื่องจากการทดลองที่คล้ายกันนี้ให้ค่าความเร็วแสงที่ใกล้เคียงกัน การประชุมนานาชาติเรื่องน้ำหนักและการวัดครั้งที่ 17 ในปี พ.ศ. 2526 จึงแนะนำให้ 299792458m/s เป็นค่าความเร็วแสง
ลำดับภาพของการวัดความเร็วแสง
ความเร็วแสงเดินทางผ่านการวัดมามากกว่า 300 ปี และในที่สุดก็ได้ข้อสรุปแล้ว ในกระบวนการสอบสวน นักวิทยาศาสตร์ได้ผสมผสานทฤษฎีและการปฏิบัติ การคำนวณและการวัดเข้าด้วยกันอย่างลงตัว และในที่สุดก็ได้ค่าความเร็วแสงที่แม่นยำ
การกำหนดความเร็วแสงไม่เพียงส่งผลต่อคำจำกัดความของหน่วย "เมตร" เท่านั้น แต่ยังช่วยวิจัยเพิ่มเติมอีกด้วย หน่วยมาตรฐาน เช่น ความเร็วแสงและ "มิเตอร์" อาจดูไม่สำคัญ แต่ก็ได้เห็นความก้าวหน้าของอารยธรรมมนุษย์ วิทยาศาสตร์ไม่มีขีดจำกัด และการเดินทางของมนุษยชาติในการสำรวจโลกเพิ่งเริ่มต้นขึ้น
