Как мы измеряем скорость света?

Автор: Jordin Kare, инженер-электрик, США

Можно ли измерить скорость света?

Мы не измеряем скорость света.

С 1983 года стало ясно, что измерить скорость света невозможно, хотя она определяется как ровно 299 792 458 метров в секунду.

«Но что же я измеряю, если каким-то образом определяю, какое расстояние свет проходит за одну секунду?» Ответ заключается в том, что в этом случае вы фактически измеряете длину метра. В 1983 году 17-я Генеральная конференция по мерам и весам изменила определение метра - международно согласованной единицы длины - с фиксированной длины на «расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды».

Как измеряется метр

Обычно длину метра определяют через измерение длины волны света определённой спектральной линии, испускаемой возбуждённым атомом, частота которого точно известна. Для этого используется соотношение λ = c/f.

Спектральные линии применяются потому, что их можно надёжно воспроизводить в любом месте и в любое время, получая одну и ту же частоту. Частоту измеряют различными методами, однако наиболее точный современный способ использует сверхкороткие лазерные импульсы для создания точных целых кратных известной частоты - так называемой частотной гребёнки. Она охватывает диапазон от микроволновых частот до частот видимого света.

Интерферометрия и длина волны

Длина волны измеряется методом интерферометрии. Для этого свет разделяется на два луча, которые проходят разные оптические пути, а затем снова объединяются.

После объединения появляются интерференционные полосы - чередующиеся светлые и тёмные области. Каждая такая полоса соответствует разности путей, равной одной длине волны. Изменяя один из путей, например перемещая зеркало на фиксированное расстояние, и подсчитывая количество прошедших полос, можно определить число длин волн на данном расстоянии с чрезвычайно высокой точностью.

С 1960 по 1983 год метр определялся как 1 650 763,73 длины волны оранжево-красной линии излучения изотопа Криптон-86 в вакууме.

Таким образом, технически скорость света была зафиксирована по определению и фактически не могла быть измерена уже с 1960 года. Однако это стало значительно более очевидным после принятия нового определения метра в 1983 году.

Уточнение автора

Отредактировано и дополнено: Мой коллега Бретт Бакленд справедливо отметил, что я использовал выражение «известное расстояние», которое подразумевает наличие эталона длины при проведении интерферометрического измерения длины волны.

Так действительно было до 1960 года. Однако сегодня точнее говорить о «фиксированном расстоянии». Расстояние становится известным только после того, как определено, скольким длинам волн оно соответствует.

Магазин Gtest® - поставщик контрольно-измерительного оборудования от OWON, Siglent Technologies, Benetech, MATRIX, Tmeasurements, CEM Instruments, Uni-Trend, MASTECH и NOYAFA.

Перейти в раздел статей Gtest