Как мы измеряем скорость света?

Автор: Jordin Kare, Инженер-Электрик, США

Мы не измеряем.

С 1983 года делались попытки и выяснилось, что невозможно измерить скорость света; хотя скорость света определяется как ровно 299792458 метров в секунду.

«Но, но», (скажете вы), «что я измеряю, если, например, я (каким-то образом) измеряю, сколько именно свет проходит за 1 секунду?» Ответ в том, что вы 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) секунд».

Итак, как мы измеряем длину метра? Обычно путем измерения длины волны λλ света из определенной спектральной линии, испускаемой возбужденным атомом, где частота f света точно известна, с использованием соотношения λ=c/f.λ=c/f. Спектральные линии используются, потому что их можно надежно генерировать в любом месте или в любое время и всегда иметь одну и ту же частоту. Частоту можно измерить различными способами, хотя наилучший текущий способ использует очень короткие лазерные импульсы для генерации точных целых кратных известной частоты («частотная гребенка»), которые простираются от микроволновых частот (которые мы можем измерить очень точно) до частот видимого света.

Длина волны измеряется с помощью интерферометрии: в основном, путем размещения оптики таким образом, чтобы свет разделялся на два луча, которые проходят два разных пути и снова объединяются. Объединенный луч будет показывать «полосы» светлых и темных областей, и каждая полоса соответствует одной разнице длин волн между двумя путями. Намеренно изменяя один путь (например, перемещая зеркало на известное расстояние) и подсчитывая полосы, которые проходят при этом изменении, вы можете подсчитать количество длин волн на этом известном расстоянии — до крошечной доли длины волны, если вы сделаете это правильно. С 1960 по 1983 год метр определялся таким образом, как 1 650 763,73 длины волны оранжево-красной линии излучения Криптона 86 (хорошего инертного газообразного элемента) в вакууме.

Так что технически скорость света была фиксирована по определению и не могла быть измерена с 1960 года — но это было не так очевидно, как с новым определением метра в 1983 году.

Отредактировано и добавлено: Мой коллега Бретт Бакленд правильно отмечает, что я использовал фразу «известное расстояние», которая подразумевает, что у меня уже есть стандарт длины, когда я провожу интерферометрическое измерение длины волны. Так было до 1960 года, но если быть точным, то сейчас мне следовало бы сказать «фиксированное расстояние» или что-то в этом роде; расстояние становится известным только после того, как вы измерили, скольким длинам волн оно равно.