Як ми виміряли швидкість світла?
Чи світло нескінченно швидке?
Вмикаєш лампу — і вся кімната вмить стає світлою. Довго люди думали, що світло нікуди не рухається, що воно просто є всюди одночасно. Як виміряти, чи воно взагалі кудись летить?
Дослід із ліхтарями
Галілей спробував це з ліхтарями: двоє людей на пагорбах приблизно за кілометр один від одного. Один відкриває ліхтар, і щойно другий це побачить, відкриває свій. Але виміряв він лише те, скільки часу людям треба, щоб зреагувати, бо ці два кілометри туди й назад світло пролітає за сім мільйонних секунди.
Годинник на небі
На небі знайшлися і довга відстань, і годинник. Супутник Юпітера Іо облітає планету кожні 42,5 години і щоразу ненадовго зникає в її тіні. Ці затемнення відбуваються регулярно, і їх можна передбачити.
Годинник відстає
Данський астроном Оле Ремер 1676 року помітив, що затемнення Іо не завжди настають вчасно. Коли Земля найближче до Юпітера, вони відбуваються за прогнозом, але що більше Земля віддаляється, то більше вони запізнюються. На протилежному боці орбіти Землі запізнення становить близько 17 хвилин.
Світло перетинає всю орбіту Землі
Ремер зрозумів чому: світло від Іо летить до нас певний час. На протилежному боці орбіти воно мусить пролетіти ще й увесь її діаметр, близько 300 млн кілометрів. Ремер оцінив, що на це йде 22 хвилини; нині ми знаємо, що близько 17 хвилин, тобто приблизно 1 000 секунд, тож світло долає близько 300 000 кілометрів за секунду.
Зубчасте колесо
На Землі її вперше виміряв Іпполіт Фізо 1849 року. Він спрямовував світло лампи крізь проміжок між зубцями зубчастого колеса до дзеркала за 8,6 кілометра. Дзеркало відбивало його назад, і світло поверталося тим самим проміжком в око. Але як із цього дізнатися, наскільки швидко воно летить?
Коли колесо розкрутиться
Потім розкрутив колесо. Спершу повільно: до повернення світла воно ледь зрушувало, і світло верталося тим же проміжком. Що швидше він крутив, то більше світло натрапляло на край зубця й слабшало. За 12,5 оберта на секунду воно зникло: колесо тим часом зрушило на цілий зубець, і світло влучало в нього, а не в проміжок. Зубець колесо проходило за 1/18 000 секунди, а світло — 17 км туди й назад, тож летить близько 310 000 км за секунду.
Перевір сам
Мікрохвилі — теж світло, лише невидиме. Вийми з мікрохвильовки обертову тарілку й погрій у ній 20 секунд плитку шоколаду. Мікрохвилі відбиваються від стінок і найдужче гріють у місцях рівно за пів хвилі одне від одного: шоколад розтане приблизно через кожні 6 см, тож уся хвиля має 12 см. Швидкість хвилі — це її довжина, помножена на кількість коливань за секунду, а її вказано на табличці: 2 450 МГц, тобто 2,45 мільярда. 12 см × 2,45 мільярда — це близько 300 000 кілометрів за секунду.
Як тепер
У 1970-х її виміряли лазером за тією самою формулою, що й із шоколадом: довжина хвилі, помножена на кількість коливань. Вийшло 299 792 458 метрів за секунду, а від 1983 року це число зафіксоване, за ним навіть визначають довжину метра. Тому сьогодні швидкість світла ми не вимірюємо, а вимірюємо за її допомогою: лазер, відбитий від дзеркал, які на Місяці залишили астронавти, летить туди й назад 2,5 секунди, і з цього ми знаємо, як далеко Місяць, з точністю до сантиметра.
То як ми її виміряли?
Світло таке швидке, що для вимірювання потрібна величезна відстань або дуже точний годинник. Ремер узяв орбіту Землі, а за годинник — затемнення Іо, Фізо взяв 17 кілометрів, а за годинник — колесо, що швидко крутиться. Обидва показали, що світло летить із величезною, але скінченною швидкістю.