なぜ光の速度は、それ以上でもそれ以下でもなく、正確に毎秒 299792458 メートルなのでしょうか?

プロの物理学者であろうとなかろうと、相対性理論はよく話題に上がる話題です。しかし、私たちは光速度定数の背後にある実験の歴史をしばしば見落としています。それは相対性理論の誕生以前に長い物語があったのです。そして物理学の発展においては、実験が最初に行われることが多いのです。

この記事は、「光の速度：地動説の崩壊から相対性理論の誕生まで」という本の著者が書いた紹介文です。

徐暁著

人々はいつも不思議に思うのですが、なぜ真空中の光の速度は毎秒 299792458 メートルなのでしょうか?これは簡潔な数字ではなく、実験値と思われるので、なぜ小数点さえ付いていないのでしょうか?それは本当に正確なのでしょうか?

「物理学は歴史的である。」光の速度の検出と決定は、この声明に対する最良の脚注です。

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古代ギリシャの偉大な技術者であるアレクサンドリアのヘロンは、光が信じられないほど速く移動すると提唱しましたが、光の速度に関する彼の考えは、対応する実験条件がなかったため、推測の段階にとどまりました。

人類が初めて光の速度を決定するには、一連の技術的な前提条件と事前の測定結果が必要でした。

まず、時計です。

1584年、ヨスト・ビュルギはティコ・ブラーエのためにクロス脱進機を使った時計を製作し、計時の精度を大幅に向上させました。これにより、ティコは当時最も正確な天文観測を行うことができました。当時、時間の経過に伴う航海において経度を決定することは人々の重要な目標でした。この目標は時計技術の進歩の大きな源泉となりました。

2つ目は観測技術、つまり望遠鏡の登場です。

1611年、ガリレオ・ガリレイは望遠鏡を木星に向け、木星の衛星の変化を観察しました。特に、イオの日食は常に 42.3 時間ごとに発生しました。

これはまた、ガリレオが天空に天然の時計を発見したことを意味します。

2つ目は天文データの測定と計算です。

1660 年代から 1680 年代にかけて、ジョヴァンニ・カッシーニはガリレオの発見とその他の天文学の知識を利用して、火星から地球までの距離を決定し、太陽系全体の惑星の軌道の大きさを計算しました。

まさにこうした予備条件があったからこそ、人類は初めて光の速度を推定する機会を得たのです。

カッシーニの助手として、オーレ・レーマーは長い間イオの日食を観測し、その周期は一定ではないことを発見した。彼は光の速度が有限であるという仮定を用いてこの不確実性を説明した。クリスティアーン・ホイヘンスは、レーマーのデータと、さまざまな時期における木星と地球の相対距離に基づいて、光の速度を秒速 220,000 キロメートルと推定しました。このデータは非常に不正確ですが、物理実験の観点から見ると、少なくとも桁違いの推定値は正しいと言えます。ヒーローと比べると、これははるかに素晴らしいです。

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人類が初めて光の速度を計測したのは、1725年にジェームズ・ブラッドリーが光行差に関する実験を行ったときでした。

1725 年、ブラッドリーは天球上のアポロ 9 号の動きを観測し、視差の原理によって地球からの距離を決定しました。なぜ天保月祭を執り行うべきなのでしょうか？これには、地動説と地球中心説の間の論争が含まれます。私たちの一般的な印象では、地球中心説は非科学的です。しかし、当時の人々の技術的条件と観測レベルを考慮すると、地球中心説は長い間、天体の動きを説明するのに非常に優れた理論でした。

どの古代文明であっても、人々は天球上を移動する惑星の速度が速いときもあれば遅いときもあり、逆行することもあるという天文現象を観察してきました。

この逆行運動を説明するために、地動説では非常に複雑な運動モデルが採用されました。つまり、惑星は、地球の周りを従円と呼ばれる大きな円に沿って回転するだけでなく、従円上の移動点の周りを周転円と呼ばれる小さな円に沿って回転するというものです。

この複雑なモデルは、古代ギリシャの太陽中心説によって疑問視されました。しかし、当時の地動説では完全に答えられなかった疑問が 3 つありました。

まず、人間の直感によれば、地球が動いているなら地面が動いているのを感じることができるはずであり、私たちが投げ出したものは逆方向に動くことを意識できるはずです。しかし、なぜ私たちは地球が動いていることに気づかないのでしょうか?

第二に、古代ギリシャ人は円が対称的で美しいと考えており、地動説では惑星の軌道が円形であることを説明するより単純なモデルを提供できなかった。当時、周転円-異円構造は惑星の運動を記述するのに適していました。

第三に、当時の古代ギリシャ人は、太陽が動いていなければ、遠くの星は動いて見えるはずだと信じていました。古代人は地球から見ると遠くの星は天球上で静止しているのを観察していたからです。星が動くという考えは、宇宙についての一般に受け入れられている古代ギリシャの説明とは矛盾している。

16 世紀から 17 世紀にかけて、ニコラウス・コペルニクス、ガリレオ、アイザック・ニュートンを通じて慣性の概念は徐々に明らかになり、最初の疑問は消えました。そしてヨハネス・ケプラー、カッシーニ、ニュートンを通じて、惑星が楕円軌道を回るという考えが一般に受け入れられ、2番目の問題も解決されました。しかし、3 番目の疑問は、地球から星の位置の変化を観測できれば解決できます。この変化は、星自体の動きではなく、地球が太陽の周りを回転し、異なる位置に移動することによって発生するため、恒星視差と呼ばれます。

オリンポスはロンドンの夜空の真上に現れることもあり、天頂星と呼ばれ、恒星の視差の存在を確認するためにイギリスの科学者の観測対象となった。多くのイギリスの科学者は、この星の位置の変化を観察したと主張している。

ブラッドリーがそのような観察に参加するよう招待されたのは、このような状況下であった。ブラッドリーは、最初は招待を受けて、後に独自に星の動きを調査した。しかし、観察の結果は予想外のものでした。彼は、天邦4号の位置が確かに変化したことを発見したが、それは恒星の視差の運動法則とは矛盾していた。

この矛盾を説明するために、ブラッドリーは異常の概念を提唱しました。遠くの星が静止していて、地球が宇宙空間を動いている場合、地球から観測される遠くの星からの光の速度は、星を基準系として使用した光の速度と、地球に対する星の相対的な速度のベクトル合成になるはずです。一年を通して、地球がさまざまな位置にあるとき、星に対する地球の運動方向は常に変化しており、そのため合成速度の方向も常に変化しています。したがって、この光の進路に逆らって星の位置を決定すると、星の位置は常に変化しているように感じることになります。

ブラッドリーの時代には、地球が太陽の周りを秒速約 30 km で回っていることはすでにわかっていたので、これから光の速度が秒速約 300,000 km であると計算できました。

これは人類が光の速度を相対的な精度で得た初めての事例であった。

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1800 年頃、光学の研究において、主にトーマス・ヤング、オーギュスタン＝ジャン・フレネル、フランソワ・アラゴの推進により、光の波動説が粒子説に勝利しました。

この勝利は大きな問題をもたらした。機械波の伝播は媒体に依存することが知られています。波動理論では、光波の伝達も媒体に依存します。媒体はエーテルであると信じられていました。

では、エーテルの動きと地球の間にはどのような関係があるのでしょうか?それは星々とともに宇宙全体と一定の関係を維持し、固定されたままであるか。それとも地球の動きに引きずられて地球とともに動くのでしょうか？

エーテルの動きを決定するため。人々は、望遠鏡に水を入れて光の偏向角が変化するかどうかを観察するという簡単な実験方法を提案しました。

粒子理論では、水を加えると光の粒子は地球の動きに合わせて減速し、最終的には光行差現象が消える可能性があります。波動理論では、エーテルの動きに応じて光の結果は異なります。エーテルが通常の物質の影響を受けない場合は、もちろん収差現象は存在しますが、波動理論で光の屈折を説明することは困難です。結局のところ、エーテルは光波を伝達する物質です。別の見方では、エーテルは地球と完全に一緒に動きます。これはエーテルの全抗力と呼ばれ、つまり地球がエーテルを引っ張るので、光路差自体は存在しなくなります。したがって、粒子理論と比較して、エーテルの運動状態の説明は波動理論にとって非常に重要です。

1810 年、アラゴは望遠鏡に水を入れるのと似た実験を行ったが、その結果は粒子理論にも波動理論にも一致しなかった。 1818年、アラゴはこの問題についてフレネルに相談した。

フレネルは部分エーテル抵抗の理論を提唱した。彼は、エーテル物質の一部は通常の物質とともに動き、他の部分は静的な宇宙の枠組みと一致したままであると信じていました。

1845 年、ジョージ・ストークスはエーテルの総抵抗の問題を再検討しました。ストークスの理論的枠組みでは、総抗力も収差の発生につながる可能性があります。

フレネルとストークスの理論を検証するために、イポリット・フィゾーは反対方向に流れる2本の水道管に光を注入し、異なる水流速度で2つの光波によって形成される干渉縞の動きを観察しました。この実験の結果はストークスの理論的結果からは大きく離れていましたが、フレネルの予測には非常に近いものでした。フレネルの人気は当時比類のないものでした。

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1855年、ウィリアム・トムソン（後のケルビン卿）はジェームズ・クラーク・マクスウェルに手紙を書き、ヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバーとルドルフ・コールラウシュの実験に注意を促した。

ウェーバーはカール・フリードリヒ・ガウスに招かれ、電磁気学における単位変換の問題を共同で研究した。研究中、彼とコラウスは重要な変換量を決定するために関連する測定実験を実施しました。この測定の次元は速度定数 c であり、結果は光速の√2 倍になります。 (興味深いことに、c は後に光速の記号になりました。) ウェーバーは、この定数には物理的な意味があるに違いなく、当時知られていたすべての速度の中で、大きさにおいてこれに匹敵するのは光速だけであると信じていました。

1857 年になってようやく、グスタフ・キルヒホフが√2 を排除し、銅線内の電流の伝播速度は光速であるという非常に重要な結論を導き出しました。もちろん、今ではこの結論が間違っていることが分かっています。銅線中の電界伝播速度は光速の0.7倍です。

英国の科学者たちはこの実験を別の方法で理解した。彼らは、電磁誘導は光と同様にエーテルを介して伝達されると信じていました。最終的に、マクスウェルはウィリアム・トムソンのモデルを修正し、マイケル・ファラデーの考えを参考にして、ウェーバーらの実験結果に基づいてマクスウェル方程式を確立しました。マクスウェルはこの方程式に基づいて、電場と磁場がエーテル内で相互に変換され、波の形で伝播することを可能にし、電磁波の概念を提唱しました。マクスウェルはさらに光は電磁波であると予測した。

ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、電磁波の理論を検証し、マクスウェルの理論とウェーバーの理論のどちらを採用するかを決定するために、ハインリヒ・ヘルツに一連の実験の設計を依頼しました。ヘルツは独創的な実験設計を通じて、電磁波の伝達性を証明し、電磁波の速度を測定し、電磁波の横波の性質を検証し、電磁波の反射と屈折の特性を測定しました。 1889年までに、ヘルツはこれらの実験を完了し、マクスウェルの予想を確認しました。

この一連の実験の中で、ヘルツが設計した波の速度測定実験は非常に独創的でした。彼は 2 枚の巨大な金属板を使用して、2 つの電磁波を互いの方向に伝わらせ、定在波を形成しました。次に、アンテナを使用して波の腹と節の位置を受信して​​測定し、波長を計算しました。次に、彼は電磁波の波長と周波数の関係を利用して波の速度を計算しました。

それ以来、光波の研究と記述は電磁波の記述に基づいて行われるようになりました。

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電磁波理論が確立された後、エーテルは光波の搬送体であるだけでなく、電場と磁場の搬送体でもあると考えられるようになりました。したがって、エーテルの動きを決定することは非常に重要になりました。

1881 年と 1887 年に、アルバート A. マイケルソンとエドワード W. モーリーは、マイケルソン干渉計を使用してエーテルの動きを測定しました。 1887 年の実験では、マイケルソン干渉計の 2 つのアームの長さは 11 メートルで等しく、光路は互いに垂直でした。一方のアームをエーテルの移動方向と平行に配置すると、もう一方のアームはエーテルの移動方向に対して垂直に配置されます。光が 2 つのアームを通過する距離は同じですが、光の速度が異なるため、2 つの経路の間に位相差が生じます。このとき、２つの光路の位置が入れ替わると、２つの光路を通過する光によって形成される干渉縞が大きく移動する。マイケルソンとモーリーは、水銀の上に浮かぶ大理石のテーブルを使用して、システムを 90 度回転させ、腕の位置を入れ替えることができました。彼らは観察を続けました。しかし残念なことに、最終的に観察された縞模様の動きは、予想された結果の 10 分の 1 以下でした。

特に1889年にヘルツの実験が完了した後、マイケルソンの実験は電磁波の理論全体に対する大きな挑戦となりました。

この反論に対して、ヘンドリック・ローレンツは、エーテル分子自体が電荷を含んでおり、エーテル分子が移動すると移動方向の長さが縮むためだと信じました。この収縮効果こそが、マイケルソンの実験の対応する結果につながったのです。

方程式の導出を容易にするために、ローレンツは「局所時間」の概念を導入し、他の実験の出現とともに、ローレンツはさらに「時間の遅れ」の概念を導入しました。しかし、ローレンツの見解では、時間の扱いは単なる数学的な技術であり、物理的な意味はない。

しかし、エーテルの概念自体がますます疑問視されるようになってきています。エーテルの特性は通常の物質とは非常に異なっていたため、実際のものというよりは理論上の技術的必要性のように思われました。人々はこの概念を放棄する傾向があります。

一方、1900年にアンリ・ポアンカレは光時計の概念を提唱しました。彼は、すべての時間計測は実際の物理的な装置と物理法則に基づいていなければならないと信じています。彼は、当時広く利用されていた電磁波による計時という実用的応用から出発し、2 つの鏡の間を光が 1 往復する時間を 1 単位とする計時モデルを確立しました。

このモデルにより、さまざまなスポーツ システム間でタイミングに違いが生じます。これはまた、時間の相対性がもはや便利な数学的処理ではなく、物理的な現実であることを示しています。

1905 年、アルバート アインシュタインはエーテルを完全に放棄し、光速度の不変性と、異なる移動基準系における物理法則の不変性という前提に基づいて特殊相対性理論を確立しました。

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真空中の光の速度を普遍的な定数としたのは、相対性理論の確立です。 1983 年、一連の実験 (特に「秒」の定義) と組み合わせ、第 17 回国際度量衡会議で光の速度が基本的な測定基準として定義され、光の速度は 299,792,458 メートル/秒と直接定義されました。

定義データが過去の実験と一致するはずであることは容易に理解できますが、このデータをどのようにして 9 桁の精度で達成できるのかはわかりにくいです。初期の天文学実験では、データの精度はせいぜい数パーセントでした。 1850年頃、フィゾーとレオン・フーコーは光の速度を直接測定しました。後世の改良を経ても、その成果は数千分の一程度にとどまりました。高精度なデータを得るには、波動光学でよく見られる干渉縞や電磁場でよく見られる定在波現象などのコヒーレンスを利用する必要があります。マイケルソン・モーリーの実験では光の相対速度のみを測定したが、コヒーレンスを利用したため、実験の分解能精度はキロメートル/秒レベルに達した。

光速度検出の歴史をたどると、非常に重要なヒントも得られます。それは、調査対象のシステムの速度が十分に速いか、実験解像度が十分に高いかのいずれかであり、相対性の影響を明確に認識できるということです。この点は、さまざまな議論の中で見落とされがちです。

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著者は原著を徹底的に読み、光速度の探究の歴史と関連する物理学者たちの物語を本書で詳しく紹介しています。さらに、呉勇士氏が序文で述べたように、著者は読者に次の 2 つの事実を明らかにしたいと考えている。1) 物理学はまず実験によって推進される学問であり、物理理論の抽象化と体系化と切り離せないものである。 2) 物理学は世代を超えた学者を通じて進歩してきました。

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本書の初稿は、「大学大衆科学」編集者の李青州氏、中国科学院半導体研究所の季楊研究員、ジョージタウン大学の呉建勇教授、イースタンワシントン大学の李寧教授、ワシントン大学の銭紅教授、華南理工大学の陳曦教授、文徳華教授、張向東教授によって査読され、多数の改訂提案がなされた。彼らに特別な感謝の意を表したいと思います。

清華大学の姜金松教授はかつて宗教と科学の関係についての本を推薦し、レンセラー工科大学の楊英睿教授はかつて序文関連の作業を手伝ってくれた。私たちは彼に特別な感謝の意を表したいと思います！

序文を書いてくださるユタ大学の尊敬すべき Wu Yongshi 教授に感謝します。

たくさんの助けをくれた友人たちに感謝します！

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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