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푸코의 광속 측정

Foucault's measurements of the speed of light

1850년, Léon Foucault는 물속의 빛의 속도와 공기속의 빛의 속도의 차이를 측정하기 위해 회전 거울을 사용했습니다.1862년, 그는 공기 중의 빛의 속도를 측정하기 위해 유사한 장치를 사용했습니다.

배경

1834년, 찰스 휘트스톤은 순간 현상을 연구하기 위해 빠르게 회전하는 거울을 사용하는 방법을 개발했고, 이 방법을 와이어의 전기 속도와 전기 [1]스파크의 지속 시간을 측정하기 위해 적용했습니다.그는 프랑수아 아라고에게 그의 방법이 빛의 속도에 대한 연구에 적용될 수 있다는 생각을 전달했습니다.

1800년대 초중반은 빛의 입자 대 파동의 본질에 대한 치열한 논쟁의 기간이었습니다.비록 1819년 아라고 지점의 관측이 프레넬의 빛의 파동 이론에 유리하게 문제를 결정적으로 해결하는 것처럼 보였지만, 다양한 [2]우려들은 뉴턴의 분자 이론에 의해 더 만족스럽게 다뤄지는 것처럼 계속 보였습니다.아라고는 1838년 출판물에서 휘트스톤의 개념을 확장했고, 공기와 물의 빛의 속도를 차등적으로 비교하는 것이 빛의 입자와 파동 이론을 구별하는 역할을 할 것이라고 제안했습니다.

푸코는 히폴리테 피조와[3] 함께 1843년과 1845년 사이에 태양의 이미지를 찍기 위해 다게레오타이프 과정을 사용하고 [4]1847년에 태양의 적외선 스펙트럼에서 흡수 밴드를 특성화하는 것과 같은 프로젝트에 참여했습니다.1845년에, 아라고는 Fizau와 Foucault에게 빛의 속도를 측정할 것을 제안했습니다.그러나 1849년 어느 때, 두 사람은 사이가 틀어졌고,[5]: 124 [3] 헤어졌습니다.1848-49년, 피조는 공기 중의 빛의 속도를 절대적으로 측정하기 위해 회전 거울이 아닌 톱니바퀴 장치를 사용했습니다.

1850년, Fizau와 Foucault는 둘 다 회전 거울 장치를 사용하여 공기 중의 빛의 속도와 물의 속도의 상대적인 측정을 수행했습니다.

푸코는 폴-구스타브 프로먼트를 사용하여 빛의 빔을 두 개의 빔으로 분할하여 하나는 물을 통과하고 다른 하나는 공기를 통과하는 회전 거울 장치를[6] 만들었습니다.1850년 [5]: 127 4월 27일, 그는 빛의 속도가 공기를 통과할 때 더 빠르다는 것을 확인했고,[3][Note 1] 겉보기에는 빛의 파동 이론을 검증했습니다.

아라고의 축복으로, 피조는 L.F.C. 브레게를 자신의 장비를 만들기 위해 고용했습니다.그들은 푸코 [5]: 129 7주 후인 1850년 6월 17일에 결과를 달성했습니다.

필요한 높은 회전 속도를 달성하기 위해 푸코는 시계 장치를 버리고 Charles Cagniard de la Tour가 설계한 조심스럽게 균형 잡힌 증기 동력 장치를 사용했습니다.푸코는 원래 주석-수은 거울을 사용했지만, 200rps를 초과하는 속도에서 반사층이 분리되어 새로운 은 [5]: 126–127 거울을 사용하는 것으로 전환했습니다.

푸코의 빛의 속도 결정

그림 1: 푸코의 실험에서 렌즈 L은 구형 거울 M에서 슬릿 S의 이미지를 형성합니다.미러 R이 정지해 있는 경우, 아래 주석이 달린 그림과 같이 R이 어떻게 기울어져 있는지에 관계없이 슬릿 S의 원래 위치에서 슬릿의 반사된 이미지가 변경됩니다.그러나 R이 빠르게 회전하면 R에서 M으로 이동하는 빛의 유한 속도로 인한 시간 지연으로 인해 S에서 슬릿의 반사 이미지가 [7]변위됩니다.

1850년 실험

그림 2: 공기 대 물의 빛의 상대 속도에 대한 푸코의 결정.슬릿(표시되지 않음)을 통과하는 빛은 미러 m(c를 중심으로 시계 방향으로 회전)에 의해 오목한 구형 미러 M 및 M'을 향해 반사됩니다. 렌즈 L은 두 오목한 미러의 표면에 슬릿 이미지를 형성합니다.m에서 M까지의 빛의 경로는 전적으로 공기를 통과하는 반면 m에서 M'까지의 빛의 경로는 대부분 물로 채워진 튜브 T를 통과합니다.렌즈 L'은 초점에 대한 물의 영향을 보상합니다.구형 미러에서 반사된 빛은 빔 스플리터 g에 의해 접안 렌즈 O로 우회됩니다.미러 m이 정지해 있는 경우 M과 M의 위치 α의 재구성에 의해 반사되는 슬릿의 두 이미지가 모두 표시됩니다.미러 m이 빠르게 회전하면 M에서 반사된 빛은 α'에서 슬릿 이미지를 형성하고 M'에서 반사된 빛은 α"에서 슬릿 이미지를 형성합니다.

1850년, 레옹 푸코는 공기와 물의 빛의 상대적인 속도를 측정했습니다.그 실험은 아라고에 의해 제안되었고, 그는 다음과 같이 썼습니다.

두 개의 복사점이 서로 가까이 있고 동일한 수직에 배치되어 회전하는 거울 앞에서 즉시 빛납니다.위쪽 점에서 오는 광선은 물로 채워진 관을 통과해야만 이 거울에 도달합니다. 두 번째 점의 광선은 공기 이외의 어떤 매개체도 마주치지 않은 반사 표면에 도달합니다.관찰자가 차지하는 위치에서 볼 수 있는 거울이 오른쪽에서 왼쪽으로 돌아간다고 가정합니다.음! 만약 방출 이론이 사실이라면, 빛이 물질이라면, 가장 높은 지점은 낮은 지점의 왼쪽으로 보일 것입니다; 반대로, 빛이 에테르 매질의 진동에서 나온다면, 그는 그의 오른쪽에 나타날 것입니다.

[6]

장치(도 1)는 슬릿(S)을 통과하는 빛을 포함하고, 미러(R)를 반사하여 멀리 있는 정지 미러(M)에 슬릿의 이미지를 형성하는 것을 특징으로 합니다.그런 다음 빛은 미러 R로 다시 전달되고 원래 슬릿으로 다시 반사됩니다.미러 R이 정지해 있으면 S에서 슬릿 영상이 재구성됩니다.

그러나, 만약 거울 R이 회전하고 있다면, 빛이 R에서 M으로 튕겨지고 뒤로 돌아오는 데 걸리는 시간에 약간 움직였을 것이고, 빛은 작은 각도로 원래의 소스로부터 멀어져서 [8]슬릿의 측면에 이미지를 형성할 것입니다.

Foucault는 두 개의 멀리 있는 거울을 사용하여 공기와 물을 통한 빛의 속도 차이를 측정했습니다(그림 2).그는 그들 [5]: 127 중 한 명 앞에 3미터짜리 튜브를 놓았습니다.느린 매체를 통과하는 빛은 이미지가 더 많이 이동합니다.공기 경로 미러를 부분적으로 마스킹함으로써 푸코는 [5]: 127 서로 겹쳐진 두 개의 이미지를 구별할 수 있었습니다.그는 빛의 속도가 공기보다 물에서 더 느리다는 것을 발견했습니다.

이 실험은 물이나 공기 중의 빛의 절대 속도를 결정하는 것이 아니라 상대적인 속도만을 결정했습니다.거울의 회전 속도는 물이나 공기 중의 빛의 절대 속도를 결정하기에 충분히 정확하게 측정할 수 없었습니다.초당 600-800회전의 회전 속도로 변위는 0.2-0.[5]: 128–129 3mm였습니다.

1850년 푸코는 이전 파트너와 비슷한 동기에 이끌려 [2][Note 2]빛의 속도에 대한 정확한 절대값을 결정하는 것보다 입자 대 파동 논쟁을 해결하는 데 더 관심이 있었습니다.피조가 같은 주제에 대한 그의 결과를 발표하기 직전에 발표된 그의 실험 결과는 [9]빛이 공기보다 물을 통해 더 느리게 이동한다는 것을 보여주었을 때 뉴턴의 빛에 대한 소립자 이론의 "관의 마지막 못을 박는 것"으로 간주되었습니다.뉴턴은 굴절을 빛에 대한 매질의 끌어당김으로 설명했는데,[10] 이는 매질 내에서 빛의 속도가 증가함을 의미합니다.빛의 분자 이론은 파동 [Note 3]이론에 의해 완전히 가려지면서 중단되었습니다.이러한 상황은 아인슈타인이 광전 효과를 고려할 때와 같은 다양한 상황에서 빛이 입자의 [12]성질을 나타내는 행동을 보인다는 발견적인 주장을 제시했던 1905년까지 지속되었습니다.

그의 노력으로 푸코는 레지옹 도뇌르 훈장을 받았고, 1853년 소르본 [5]: 130 대학에서 박사 학위를 받았습니다.

1862년 실험

그림 3: Foucault 장치의 개략도좌측 패널: 미러 R이 정지해 있습니다.렌즈 L(표시되지 않음)은 구형 거울 M에 슬릿 S의 이미지를 형성합니다.R이 어떻게 기울어져 있는지에 관계없이 슬릿 S의 원래 위치에서 슬릿의 반사된 이미지가 개혁됩니다.오른쪽 패널: 미러 R이 빠르게 회전합니다.미러 M에서 반사된 빛은 빛이 전달되는 동안 각도 θ가 진행된 미러 R에서 반사됩니다.망원경은 슬릿 [8]S의 위치를 기준으로 2θ 각도에서 슬릿의 반사된 이미지를 감지합니다.

푸코의 1862년 실험에서, 그는 빛의 속도에 대한 정확한 절대값을 얻기를 원했는데, 그의 관심사는 천문 단위의 [2][Note 4]개선된 값을 추론하는 것이었기 때문입니다.그 당시, 푸코는 파리 천문대에서 우르뱅 르베리에 밑에서 일하고 있었습니다.광범위한 천체 역학 계산에 기초한 르베리에의 믿음은 빛의 속도에 대한 합의 값이 아마도 4% 너무 높다는 것이었습니다.기술적인 한계로 인해 푸코는 거울 R과 M을 약 20미터 이상 분리할 수 없었습니다.이러한 제한된 경로 길이에도 불구하고 푸코는 상당한 정확도로 슬릿 이미지(1mm[13] 미만)의 변위를 측정할 수 있었습니다.게다가, (조절 가능한 속도의 톱니바퀴의 회전 속도를 측정해야 하는) 피조의 실험의 경우와 달리, 그는 일정하고 시간적으로 결정된 속도로 거울을 돌릴 수 있었습니다.푸코의 측정 결과 르베리에의 [5]: 227–234 추정치가 확인되었습니다.빛의 속도 (29,000 km/s)에 대한 [14]그의 1862년 수치는 현대 값의 0.6% 이내였습니다.

그림 3에서 볼 수 있듯이 소스(슬릿)의 변위된 이미지는 소스 [8]방향에서 2θ 각도에 있습니다.

미러 사이의 거리가 h인 경우 회전 미러의 첫 번째 반사와 두 번째 반사 사이의 시간은 2h/c(c = 광속)입니다.미러가 알려진 일정한 각도 속도 θ로 회전하면 빛이 왕복하는 동안 각도가 다음과 같이 θ만큼 바뀝니다.

빛의 속도는 관측된 각도 θ, 알려진 각속도 θ 및 측정된 거리로부터 계산됩니다.

푸코 실험에 대한 미켈슨의 정교화

그림 4: 1879년 Michelson의 Foucault의 빛 결정 속도 반복은 훨씬 더 긴 빛 [7]경로의 사용을 가능하게 하는 몇 가지 개선 사항을 통합했습니다.

그림 1에서 푸코는 R과 슬릿 S 사이의 거리를 최대화하기 위해 회전 거울 R을 렌즈 L에 최대한 가깝게 배치하는 것을 확인할 수 있었습니다.R이 회전하면 슬릿 S의 확대된 이미지가 먼 거울 M의 얼굴을 스칩니다.RM 거리가 클수록 이미지가 미러 M을 빠르게 스윕하고 반사되는 빛이 줄어듭니다.Foucault는 접힌 광학 배열에서 슬릿의 이미지가 너무 어두워져서 정확하게 [7]측정할 수 없는 상태에서 RM 거리를 약 20m 이상으로 늘릴 수 없었습니다.

1877년과 1931년 사이에 알버트 A. Michelson은 빛의 속도를 여러 번 측정했습니다.그의 1877–79년 측정은 빛의 속도를 측정하는 일도 하고 있던 사이먼 뉴콤브의 후원 하에 수행되었습니다.Michelson의 설정은 Foucault의 원래 배열에 대한 몇 가지 개선을 통합했습니다.그림 4에서 볼 수 있듯이, Michelson은 회전 거울 R을 렌즈 L의 주 초점(즉, 입사 평행 광선이 주어진 초점) 근처에 배치했습니다.만약 회전 거울 R이 정확하게 주 초점에 있다면, 빛의 연필 축이 렌즈에 남아 있는 한 슬릿의 움직이는 이미지는 멀리 있는 평면 거울 M(렌즈 L과 직경이 동일)에 남아 있을 것입니다. 이것은 RM 거리에 관계없이 사실입니다.따라서 Michelson은 RM 거리를 거의 2,000피트까지 늘릴 수 있었습니다.RS 거리에 대한 합리적인 값을 달성하기 위해 Michelson은 매우 긴 초점 거리 렌즈(150피트)를 사용했으며 R을 주 초점보다 L에 약 15피트 가까이 배치함으로써 설계를 절충했습니다.이것은 28.5에서 33.3 피트 사이의 RS 거리를 허용했습니다.그는 조심스럽게 보정된 튜닝 포크를 사용하여 공기 터빈 구동 미러 R의 회전 속도를 모니터링했으며, 일반적으로 115mm의 [7]순서로 슬릿 이미지의 변위를 측정했습니다.빛의 속도에 대한 그의 1879년 수치인 299944±51km/s는 현대 값의 약 0.05% 이내였습니다.그의 1926년 실험의 반복은 8개에서 16개의 면과 100만분의 몇 분의 정확도로 조사된 22마일 기준선을 가진 다각형 프리즘 모양의 회전 거울(밝은 이미지를 가능하게 함)의 사용과 같은 추가적인 개선을 통합했습니다.그의 수치 299,796±4 km/s는[15] 현재 허용된 [14]값보다 겨우 4 km/s 높았습니다.진공 상태에서 빛의 속도를 측정하려는 Michelson의 1931년 마지막 시도는 그의 죽음으로 인해 중단되었습니다.비록 그의 실험은 F. G. 피스와 F.에 의해 사후에 완성되었지만요.Pearson, 기준 [16]측정을 방해하는 지진을 포함하여 다양한 요인이 최고 정확도 측정에 영향을 미쳤습니다.

참고 항목

각주

  1. ^ 빛에 대한 우리의 현대적인 이해를 고려할 때, 빛의 입자 모델이 공기보다 물에서 빛의 속도를 더 높게 예측해야 하는 이유를 파악하는 것은 다소 어려울 수 있습니다. (1) 데카르트에 따르면, 빛의 빔이 공기/수계면을 통과할 때, 그 속도의 접선 성분(즉, )이라고 (잘못) 믿었습니다.표면에 평행한 속도)를 유지해야 합니다.만약 그렇다면, 빛의 빔이 물에 들어갔을 때 굴절각이 입사각보다 작다는 사실은 필연적으로 물에서 더 빠른 속도를 의미합니다. (2) 소리는 공기보다 고체와 액체에서 더 빠르게 이동하는 것으로 알려져 있었습니다.뉴턴은 빛 입자가 공기/수면에 수직인 방향으로 물에 의해 중력적으로 끌어당기는 것과 같은 것으로 추정했습니다.이것은 스넬의 법칙을 설명할 것이고 데카르트와 동의한다면 [2]표면과 평행한 속도 성분의 변화를 의미하지 않을 것입니다.
  2. ^ 피조와 푸코의 1850년 실험에 대한 동시대의 설명은 그들의 상대적인 속도 결정을 절대 속도 측정에 대한 언급 없이 방출 이론의 결정적인 실험 십자가로 언급합니다.예를 들어, 1850년 6월 29일자 문예지(p 441)는 "MM의 실험 결과.Fizau와 Brequet [sic]는 공기와 물에서 빛의 비교적 빠른 속도에 대해 빛의 파동 이론을 강력하게 지지합니다.만약 두 개의 발광선이 통과하는 길이, 즉 하나는 공기를 통과하는 길이와 다른 하나는 물기둥을 통과하는 길이가 두 매체에 대해 같다면, 통과하는 시간은 하나 또는 다른 이론에 따르면 4 대 3의 비율이었을 것입니다.그리고 거울의 회전에 의해 생성된 광선의 편차는 같은 비율이었을 것입니다."1857년 9월 5일자 문예지(855쪽)도 참조.
  3. ^ 입자 이론에 대한 파동 이론의 겉보기에 완전한 승리는 모든 보급형 발광 에테르의 존재를 가정할 필요가 있었는데, 그렇지 않으면 빈 공간을 가로지르는 빛을 상상하는 것이 불가능했기 때문입니다.그러나 가상의 에테르는 많은 믿을 수 없는 특성을 가질 필요가 있었습니다.예를 들어, 1851년의 그의 이름을 딴 피조 실험에서, 피조는 물의 움직이는 기둥을 통과하는 빛의 속도에 물 자체의 속도를 더한 단순한 덧셈 합과 같지 않다는 것을 증명했습니다.다른 어려움들은 1887년 마이클슨-몰리 실험이 에테르 효과의 흔적을 발견하지 못할 때까지 얼버무렸습니다.1892년, 헨드릭 로런츠는 마이클슨과 몰리의 무효 결과를 설명할 수 있는 에테르에 대한 임시 행동 집합을 가정했지만, 진정한 설명은 아인슈타인의 특수 상대성 [11]이론을 기다려야 했습니다.
  4. ^ 천문 단위는 우주의 모든 측정에 대한 기본 거리 척도를 제공합니다.정확한 값을 확인하는 것이 19세기 천문학자들의 주요 목표였습니다. 사실 이 작업은 1857년 천문학자인 조지 에어리에 의해 "천문학의 가장 가치 있는 문제"로 확인되었습니다.1850년대까지, 그것의 값은 지구상에서 널리 분리된 지점에서 고정된 별들에 대한 화성의 위치를 측정하거나 금성의 희귀한 통과를 관찰하는 것과 같은 비교적 부정확한 시차 방법에 의해 결정되었습니다.정확한 빛의 속도는 브래들리의 항성 수차 공식에서 거꾸로 추론하거나 목성의 [2]위성 관측에 기초한 빛의 속도 측정에서 거꾸로 추론함으로써 천문 단위에 대한 독립적인 평가를 가능하게 할 것입니다.

레퍼런스

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  2. ^ a b c d e Lauginie, P. (2004). "Measuring Speed of Light: Why? Speed of what?" (PDF). Proceedings of the Fifth International Conference for History of Science in Science Education. Archived from the original (PDF) on 4 July 2015. Retrieved 3 July 2015.
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  6. ^ a b Foucault, Léon (1853). "Sur les vitesses relatives de la lumière dans l'air et dans l'eau" (in French). Bachelier. Retrieved 10 March 2023. Deux points rayonnants placés l'un près de l'autre et sur la même verticale brillent instantanément en face d'un miroir tournant. Les rayons du point supérieur ne peuvent arriver à ce miroir qu'en traversant un tube rempli d'eau ; les rayons du second point atteignent la surface réfléchissante sans avoir rencontré dans leur course aucun autre milieu que l'air. Pour fixer les idées, nous supposerons que le miroir, vu de la place que l'observateur occupe, tourne de droite à gauche. Eh bien! si la théorie de l'émission est vraie, si la lumière est une matière, le point le plus élevé semblera à gauche du point inférieur; il paraîtra à sa droite, au contraire, si la lumière résulte des vibrations d'un milieu éthéré. {{cite journal}}:저널 요구 사항 인용 journal=(도움말)
  7. ^ a b c d Michelson, Albert A. (1880). Experimental Determination of the Velocity of Light. Nautical Almanac Office, Bureau of Navigation, Navy Department. Archived from the original on 1 November 2013. Retrieved 2 July 2015.
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외부 링크

빛의 상대 속도 측정

절대 광속 측정

강의실 시연