Monday, 1 June 2020

ความเร็วแสง ความเป็นมาของการวัดความเร็วแสงในประวัติศาสตร์

มนุษย์ไม่ทราบเลยว่าแสงเดินทางไปอย่างทันทีทันใดหรือด้วยความเร็วที่จำกัดค่าหนึ่ง จวบจนถึงยุคต้นยุคใหม่ การตรวจวัดครั้งแรกที่บันทึกไว้ของเรื่องนี้มีมาตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ ชาวกรีกโบราณ นักวิชาการมุสลิมและนักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรปได้ถกเถียงกันเรื่องนี้มานานจนกระทั่ง Rømer ได้คำนวณความเร็วแสงเป็นครั้งแรก ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ Einstein สรุปว่าความเร็วของแสงคงที่โดยไม่คำนึงถึงกรอบอ้างอิง ตั้งแต่นั้นมานักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวัดที่แม่นยำมากขึ้น

ความเป็นมาในยุคต้น

Empedocles (c. 490–430 BC) เป็นคนแรกที่เสนอทฤษฎีแสง และอ้างว่าแสงนั้นมีความเร็วจำกัดเขายืนยันว่าแสงเป็นสิ่งที่เคลื่อนไหวดังนั้นต้องใช้เวลาพอสมควรในการเดินทาง อริสโตเติลแย้งตรงกันข้าม “แสงเกิดจากการปรากฏตัวของบางอย่าง แต่มันไม่ใช่การเคลื่อนไหว” แล้ว Euclid และปโตเลมีได้พัฒนาทฤษฎีการปล่อยของการมองเห็นของ Empedocles ที่เชื่อว่าแสงถูกปล่อยออกมาจากตาจึงช่วยให้มองเห็น ตามทฤษฎีนี้ Heron of Alexandria แย้งว่าความเร็วของแสงต้องไม่จำกัดเนื่องจากวัตถุที่อยู่ไกลเช่นดาวปรากฏขึ้นทันทีที่เราลืมตามอง

นักปรัชญาอิสลามยุคแรก ๆ เห็นด้วยกับอริสโตเติ้ลว่าแสงไม่มีความเร็วในการเดินทาง แต่ในปีค.ศ. 1564 Alhazen (Ibn al-Haytham) ได้ตีพิมพ์หนังสือทัศนศาสตร์ซึ่งเขาได้เสนอชุดของการโต้แย้งทฤษฎีการปลดปล่อยของการมองเห็น ซึงต่อมาเป็นทฤษฎี intromission ที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบันว่าแสงเคลื่อนที่จากวัตถุเข้าสู่ตา สิ่งนี้ทำให้ Alhazen เสนอว่าแสงจะต้องมีความเร็วจำกัด และความเร็วของแสงนั้นแปรผกผันกับความหนาแน่นของตัวกลาง เขาแย้งว่าแสงเป็นสสารที่ต้องใช้เวลาในการเคลื่อนที่ แม้ว่าสิ่งนี้จะสัมผัสโดยประสาทสัมผัสของเราไม่ได้ ในศตวรรษที่ 11 AbūRayhān al-Bīrūnī เห็นด้วยว่าแสงมีความเร็วจำกัด และสังเกตว่าความเร็วของแสงนั้นเร็วกว่าความเร็วของเสียงมาก

ในศตวรรษที่ 13 โรเจอร์เบคอนแย้งว่าความเร็วของแสงในอากาศนั้นไม่จำกัดโดยใช้ข้อโต้แย้งทางปรัชญาที่ได้รับการสนับสนุนจากงานเขียนของ Alhazen และ Aristotle ต่อมาในปี 1270 Witelo เชื่อว่าเป็นไปได้ที่แสงจะเดินทางด้วยความเร็วที่ไม่จำกัดในสุญญากาศ แต่จะช้าลงในวัตถุที่หนาแน่นกว่า

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 17 โยฮันเนสเคปเลอร์เชื่อว่าความเร็วของแสงนั้นไม่จำกัดเนื่องจากพื้นที่ว่างไม่มีสิ่งกีดขวางใดๆต่อแสงเลย René Descartes เองเชื่อว่าถ้าความเร็วของแสงจะมีค่าจำกัด ดวงอาทิตย์โลกและดวงจันทร์จะไม่อยู่ในแนวระนาบเดียวกันระหว่างเกิดจันทรุปราคา แต่เนื่องจากการเยื้องระนาบดังกล่าวไม่ไเคยถูกสังเกตพบ René Descartes จึงสรุปว่าความเร็วของแสงนั้นไม่จำกัด René Descartes สันนิษฐานว่าหากความเร็วของแสงถูกจำกัด ขอบเขตระบบปรัชญาทั้งหมดของเขาอาจถูกทำลายได้ อาศัยกฎของ Snell’s René Descartes สันนิษฐานว่าแม้ว่าความเร็วของแสงจะเกิดขึ้นทันที แต่ในตัวกลางก็จะหนาแน่นขึ้น ความเร็วของแสงก็จะเร็วขึ้น ในขณะที่ Pierre de Fermat กลับคำนวณกฎของสเนลล์ แต่เชื่อว่าในตัวกลางก็จะหนาแน่นขึ้น ความเร็วของแสงก็จะลดลง
Pierre de Fermat ยังสนับสนุนอีกว่าแสงมีความเร็วจำกัดค่าหนึ่ง

ความพยายามในการวัดครั้งแรก

ในปี ค.ศ. 1629 Isaac Beeckman เสนอการทดลองโดยมีผู้สังเกตเห็นแสงแฟลชของปืนใหญ่ที่สะท้อนออกมาจากกระจกเงาประมาณหนึ่งไมล์ (1.6 กม.) ในปี ค.ศ. 1638 กาลิเลโอกาลิลีเสนอการทดลองโดยอ้างว่าได้ทำการทดลองเมื่อหลายปีก่อนเพื่อวัดความเร็วแสงโดยการสังเกตความล่าช้าระหว่างการเปิดตะเกียงและการรับรู้ของมันในระยะที่ไกลออกไป เขาไม่สามารถแยกแยะได้ว่าการเดินทางด้วยแสงนั้นเกิดขึ้นทันทีหรือไม่ แต่สรุปว่าหากมันไม่เป็นเช่นนั้นมันจะต้องมีความรวดเร็วเป็นพิเศษ
ในปี ค.ศ. 1667 Accademia del Cimento แห่งฟลอเรนซ์รายงานว่าได้ทำการทดลองของกาลิเลโอโดยมีตะเกียงแยกจากกันประมาณหนึ่งไมล์ แต่ไม่พบความล่าช้า ความล่าช้าที่เกิดขึ้นจริงในการทดลองนี้ตามจริงอยู่ที่ประมาณ 11 microseconds

ภาพ Public Domain

การประมาณเชิงปริมาณครั้งแรกของความเร็วของแสงถูกพบในปี 1676 โดย Rømer (ดูการพิจารณาความเร็วของแสงของ Rømer) จากการสังเกตว่าช่วงเวลาของดวงจันทร์ในสุดของดาวพฤหัสบดี Io ดูเหมือนจะสั้นลงเมื่อโลกเข้าใกล้ดาวพฤหัสมากกว่าเมื่อถอยห่างจากมัน เขาสรุปว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัด และคาดว่าจะใช้เวลา 22 นาทีในการข้ามเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลก Christiaan Huygens ได้รวมการประมาณนี้เข้ากับการประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกเพื่อให้ได้ประมาณความเร็วของแสงที่ 220000 km/s ซึ่งต่ำกว่าค่าจริง 26%

ประวัติของการวัดความเร็วแสง c (ในกม./วินาที)
<1638Galileo, covered lanternsinconclusive]
<1667Accademia del Cimento, covered lanternsinconclusive
1675Rømer and Huygens, moons of Jupiter220000‒27% error
1729James Bradley, aberration of light301000+0.40% error
1849Hippolyte Fizeau, toothed wheel315000+5.1% error
1862Léon Foucault, rotating mirror298000±500‒0.60% error
1907Rosa and Dorsey, EM constants299710±30‒280 ppm error
1926Albert A. Michelson, rotating mirror299796±4[+12 ppm error
1950Essen and Gordon-Smith, cavity resonator299792.5±3.0[+0.14 ppm error
1958K.D. Froome, radio interferometry299792.50±0.10+0.14 ppm error
1972Evenson et al., laser interferometry299792.4562±0.0011‒0.006 ppm error
198317th CGPM, definition of the metre299792.458 (exact)exact, as defined

ที่มา
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light