Як ми вимірюємо швидкість світла?

Автор: Jordin Kare, інженер-електрик, США

Чи можна виміряти швидкість світла?

Ми не вимірюємо швидкість світла.

З 1983 року робилися спроби, і зрештою з'ясувалося, що виміряти швидкість світла неможливо, хоча вона визначена як рівно 299 792 458 метрів за секунду.

«Але ж що я вимірюю, якщо, наприклад, я якимось чином визначаю, яку відстань світло проходить за одну секунду?» - запитаєте ви. Відповідь полягає в тому, що в такому випадку ви фактично вимірюєте довжину метра. У 1983 році 17-та Генеральна конференція з мір і ваг змінила визначення метра (міжнародно узгодженої одиниці довжини) з фіксованої довжини на «відстань, яку світло проходить у вакуумі за 1/299 792 458 секунди».

Отже, як ми вимірюємо довжину метра? Зазвичай шляхом вимірювання довжини хвилі світла певної спектральної лінії, випромінюваної збудженим атомом, де частота світла точно відома. Для цього використовується співвідношення λ = c/f.

Спектральні лінії використовуються тому, що їх можна надійно генерувати будь-де та будь-коли, і вони завжди мають однакову частоту. Частоту можна вимірювати різними способами, але найточніший сучасний метод використовує надкороткі лазерні імпульси для генерації точних цілих кратних відомої частоти - так звану частотну гребінку. Вона охоплює діапазон від мікрохвильових частот, які можна вимірювати надзвичайно точно, до частот видимого світла.

Інтерферометрія та вимірювання довжини хвилі

Довжина хвилі вимірюється за допомогою інтерферометрії. Суть методу полягає в тому, що світло розділяється на два промені, які проходять різними шляхами, після чого знову об'єднуються.

У результаті виникають інтерференційні смуги - світлі та темні ділянки. Кожна смуга відповідає різниці довжин шляхів, що дорівнює одній довжині хвилі. Якщо змінювати один із шляхів, наприклад переміщуючи дзеркало на фіксовану відстань, і підраховувати кількість смуг, що проходять під час цієї зміни, можна визначити кількість довжин хвиль на цій відстані з дуже високою точністю.

З 1960 по 1983 рік метр визначався як 1 650 763,73 довжини хвилі оранжево-червоної спектральної лінії випромінювання ізотопу Криптон-86 у вакуумі.

Таким чином, технічно швидкість світла була зафіксована за визначенням і фактично не могла бути виміряна вже з 1960 року. Однак це стало значно очевидніше після нового визначення метра, прийнятого у 1983 році.

Уточнення автора

Відредаговано та доповнено: Мій колега Бретт Бакленд слушно зауважив, що я використовував словосполучення «відома відстань», яке передбачає наявність стандарту довжини під час проведення інтерферометричних вимірювань.

Так було до 1960 року, але якщо бути абсолютно точним, сьогодні правильніше говорити про «фіксовану відстань». Відстань стає відомою лише після того, як визначено, скільки довжин хвиль їй відповідає.

Магазин Gtest® - постачальник контрольно-вимірювального обладнання від OWON, Siglent Technologies, Benetech, MATRIX, Tmeasurements, CEM Instruments, Uni-Trend, MASTECH та NOYAFA.

Перейти до розділу статей Gtest