光速

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光速
太陽から地球までの距離は、おおよその平均で1億5000万キロメートルと表示されています。サイズは縮尺通りです。
太陽光は速度が限られているため、季節によって異なりますが、地球に到達するまでに8分10秒から27秒かかります。[ 1 ]
正確
メートル毎秒 299,792,458
近似値（有効数字3桁）
時速キロメートル10億8000万
秒速マイル186000
時速マイル[ 2 ]671 000 000
1日あたり天文単位173 [注1 ]
年間パーセク0.307 [注2 ]
光信号のおおよその移動時間
距離時間
片足1.0ナノ秒
1メートル3.3ナノ秒
静止軌道から地球まで119ミリ秒
地球の赤道の長さ134ミリ秒
月から地球まで1.3秒
太陽から地球まで（1  AU）8.3分
1光年1.0年
1パーセク3.26年
太陽に最も近い恒星から（1.3 パーセク）4.2年
地球に最も近い銀河から7万 年
天の川を越えて87 400 年
アンドロメダ銀河から地球へ250万年

真空中の光速は、しばしば単に光速と呼ばれ、一般的にcと表記され、2億9979万2458メートル/秒（時速約10億キロメートル、時速7億マイル）と正確に等しい普遍的な物理定数です。これは、国際的な合意により、1メートルは1/2の時間間隔で真空中を光が移動する距離と定義されているため、正確です299,792,458秒 。光速は、観測者間の相対速度に関わらず、すべての観測者にとって同じです。これ、情報、物質、またはエネルギーが空間を移動できる速度の上限です。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

可視光を含むすべての形態の電磁放射線は、真空中を速度cで進みます。多くの実用的用途では、光やその他の電磁波は瞬時に伝播するように見えますが、長距離や高感度の測定では、その有限の速度が顕著な影響を及ぼします。地球上で見える星の光の多くは遠い過去のものであり、人類は遠くの物体を観察することで宇宙の歴史を研究することができます。遠く離れた宇宙探査機と通信する場合、信号が伝わるまでに数時間かかることがあります。コンピューティングでは、光速が究極の最小通信遅延を決定します。光速は飛行時間測定に使用して、長距離を非常に高い精度で測定することができます。

オーレ・レーマーは木星の衛星イオの見かけの運動を研究することで、光が瞬間的に移動しないということを初めて実証しました。1865年の論文で、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは光は電磁波であり、したがって速度cで移動すると提唱しました。[ 6 ]アルバート・アインシュタインは、あらゆる慣性系に対する光速度cは定数であり、光源の運動とは無関係であると仮定しました。[ 7 ]彼はその仮定の帰結を相対性理論を導出することで探求し、パラメータc が光と電磁気学の文脈以外にも関連性を持つことを示しました。

質量のない粒子や重力波などの場の摂動も、真空中を速度cで移動​​します。このような粒子や波は、発生源の運動や観測者の慣性座標系に関わらず、速度cで移動​​します。静止質量がゼロでない粒子は加速されてcに近づくことはできますが、速度を測定する座標系に関わらず、cに到達することはありません。相対性理論では、cは空間と時間とを関連付け、有名な質量エネルギー等価性、E = mc 2に現れます。[ 8 ]

場合によっては、物体や波が光よりも速く移動しているように見えることがあります。宇宙の膨張は、ある限界を超えると光速を超えると考えられています。

ガラスや空気などの透明な物質を光が伝わる速度はcより遅く、同様に電線ケーブルの周りの電磁波の速度（電気の速度）はcより遅くなります。物質中を光が伝わる速度vとcの比は、その物質の屈折率n と呼ばれます（ n = ⁠c/v⁠）。例えば、可視光の場合、ガラスの屈折率は通常約1.5です。つまり、ガラス内の光は⁠c/1.5⁠ ≈ 200,000 km  /s ( 124,000  mi/s) ;可視光に対する空気の屈折率は約1.0003なので、空気中の光速はcよりも約90 km/s ( 56 mi/s)遅くなります

数値、表記、単位

真空中の光速は通常、小文字のcで表されます。この文字の由来は明らかではありませんが、「定数（constant）」の「c」、あるいはラテン語のceleritas（「速さ、敏捷性」の意）に由来するのではないかという説があります。[ 9 ]レオンハルト・オイラーらの著書では、「c」は速度を意味する「celerity」に使われていましたが、この速度は光に限ったものではありませんでした。アイザック・アシモフは「CはCeleritasの略」という科学雑誌に寄稿しましたが、その由来は説明していませんでした。[ 10 ] 1856年、ヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバーとルドルフ・コールラウシュはcを別の定数に使用していましたが、後にこの定数は真空中の光速の√2倍に等しいことが示されました。歴史的に、記号Vは光速の代替記号として使用され、 1865年にジェームズ・クラーク・マクスウェルによって導入されました。1903年、マックス・エイブラハムは広く読まれている電磁気学の教科書で、現代的な意味を持つcを使用しました 。アインシュタインは1905年に特殊相対性理論に関するドイツ語の論文でVを使用しましたが、1907年にcに変更しました。cは当時、光速の標準記号となっていました。[ 11 ] [ 9 ]

cは物質媒質中の波の速度を表すために使用されることもあり、 c 0は真空中の光速度を表すために使用されることもある。[ 12 ]この下付き表記はSI公式文献で推奨されており、[ 13 ]関連する電磁定数と同じ形式である。すなわち、真空の透磁率または磁気定数の場合はμ 0 、真空の誘電率または電気定数の場合はε 0 、自由空間のインピーダンスの場合はZ 0 である。この記事では真空中の光速度にのみ cを使用する。

単位系での使用

1983年以来、定数cは国際単位系（SI）で次のように定義されています。299 792 458  m/s ; この関係は、光が真空中を1/2で移動する距離を正確にメートルと定義するために使用されます。299 792 458秒。秒は、セシウム133原子が特定の2つのエネルギー状態間の遷移中に放出する放射線の9 192 631 770 サイクル。[ 14 ] cの値と秒の正確な測定値を使用することで、メートルの標準を確立することができます。[ 15 ]

光速に選ばれた特定の値は、1983年以前に使用されていた定義と可能な限り一致する、より正確なメートルの定義を提供しました。[ 14 ] [ 16 ]

次元物理定数であるcの数値は単位系によって異なります。例えばヤードポンド法では、光速はおよそ1秒あたり186,282マイル。この値は、1秒あたり10億フィート、または1ナノ秒あたり1フィートと2%未満の差しかありません。 [ 17 ]海軍士官でコンピュータ科学者のグレース・マレー・ホッパーは、1960年代後半に同僚たちに1フィートの長さのワイヤーを配布し、計算速度を向上させるために部品を小型化することの重要性を視覚的に示しました。[ 18 ]

相対性理論など、cが頻繁に登場する物理学の分野では、自然単位系、あるいはc = 1となる幾何単位系が一般的に用いられます。[ 19 ] [ 20 ]これらの単位系では、 cを1で乗算または除算しても結果に影響がないため、 cは明示的には現れません。cの単位である光秒/秒は、省略されても依然として重要です。  

物理学における基本的な役割

真空中を伝播する光波の速度は、波源の運動と観測者の慣性座標系の両方に依存しません。この光速度不変性は、1905年にアインシュタインによって提唱されました[ 7 ]。これは、マクスウェルの電磁気学理論と、光伝導エーテルに逆らう運動の証拠がないことに着想を得たものです[ 21 ]。ケネディ・ソーンダイク実験やアイブス・スティルウェル実験などの実験は、この仮説が実験的観測と一致することを示しています[ 22 ] 。

特殊相対性理論は、物理法則がすべての慣性系で同じであるという仮定のもと、cのこの不変性の帰結を探究する。 [ 23 ] [ 24 ]一つの帰結として、cは光を含むすべての質量のない粒子と波が真空中を移動しなければならない速度である。[ 25 ]

γ は、v が 0 のときに 1 から始まり、v が小さい場合はほぼ一定のままですが、その後急激に上向きにカーブして垂直漸近線を持ち、v が c に近づくにつれて正の無限大に発散します。
速度の関数としてのローレンツ因子γ 。1から始まり 、v がcに近づく につれて無限大に近づきます。

特殊相対性理論には、直感に反し実験的に検証された多くの意味合いがある。[ 26 ]これらには、質量とエネルギーの等価性( E = mc 2 )、長さの収縮(運動する物体が縮む)、テレル回転(見かけの回転)、[ 27 ] [ 28 ]および時間の遅れ(運動する時計が遅く進む) が含まれる。長さが収縮し時間が遅れる係数 γはローレンツ因子として知られ、 γ = (1 − v 2 / c 2 ) −1/2で与えられる。ここで、vは物体の速度。 γと1の差は、ほとんどの日常的な速度などc よりもはるかに遅い速度では無視できるほど小さい (この場合、特殊相対性理論はガリレイ相対性理論によってほぼ近似される) が、相対論的な速度では差は大きくなり、 v がcに近づく につれて無限大に発散する。例えば、γ = 2の時間遅れ係数は、相対速度が光速の 86.6% ( v = 0.866 c ) のときに発生します。同様に、 γ = 10の時間遅れ係数は、相対速度が光速の 99.5% ( v = 0.995 c ) のときに発生します。

特殊相対性理論の結果は、空間と時間を時空と呼ばれる統一構造（ 空間と時間の単位をcで関連付ける）として扱い、物理理論がローレンツ不変性と呼ばれる特殊な対称性を満たすことを要求することで要約できます。この数学的定式化にはパラメーター cが含まれます。[ 29 ]ローレンツ不変性は、量子電磁力学、量子色力学、素粒子物理学の標準モデル、一般相対性理論など、現代の物理理論にとってほぼ普遍的な仮定です。そのため、パラメーター cは現代物理学のいたるところに存在し、光とは関係のない多くの状況で登場します。たとえば、一般相対性理論では、  cは重力の速度および重力波の速度でもあると予測されており、[ 30 ]重力波の観測はこの予測と一致しています。[ 31 ]非慣性系（重力で曲がった時空や加速参照系）では、局所的な光速度は一定で cに等しいが、測定値をその領域に外挿する方法によっては、遠隔参照系から測定した場合の光速度は cと異なることがある。 [ 32 ]

cのような基本定数は 時空全体で同じ値を持つと一般的に想定されており、これは場所や時間に依存しないことを意味します。しかしながら、様々な理論において、光速度は時間とともに変化した可能性があることが示唆されています。[ 33 ] [ 34 ]このような変化を裏付ける決定的な証拠は見つかっておらず、現在も研究が進められています。[ 35 ] [ 36 ]

一般に、光の双方向速度は等方性であると考えられており、これは測定方向に関係なく同じ値を持つことを意味します。磁場中の核エネルギー準位からの放射を放射核の向きの関数として観測すること（ヒューズ・ドレーバー実験参照）や、回転する光共振器の観測（共振器実験参照）により、双方向異方性の可能性には厳しい制限が課せられています。[ 37 ] [ 38 ]

速度の上限

静止質量mで実験室に対する相対速度vの物体は、その実験室に対して運動エネルギー( γ −1) mc2を持つ。ここでγは上で定義したローレンツ因子である。vがcに近づく につれてγ因子は無限大に近づき、質量を持つ物体を光速まで加速するには無限大のエネルギーが必要となる。[ 39 ]：13.3 光速は、正の静止質量を持つ物体の速度の上限である。個々の光子の分析により、情報は光速よりも速く伝わることはできないことが確認されている。[ 40 ] [ 41 ]これは、相対論的エネルギーと運動量に関する多くの実験で実証されている。[ 42 ]

3組の座標軸が同じ原点Aで描かれています。緑の枠では、x軸は水平、ct軸は垂直です。赤の枠では、緑の軸に対してx′軸はわずかに上向きに、ct′軸はわずかに右向きに傾いています。青の枠では、緑の軸に対してx″軸はわずかに下向きに、ct″軸はわずかに左向きに傾いています。緑のx軸上の点Aの左側にある点Bは、ctが0、ct′が正、ct″が負です。
イベント A は、赤枠ではイベント Bに先行し 、緑枠ではイベント Bと同時であり、 青枠ではイベントBに後続します。

より一般的には、信号やエネルギーがcより速く移動することは不可能である 。この議論の一つは因果律として知られている。2つの事象 Aと Bの間の空間距離が、それらの間の時間間隔に cを乗じた値よりも大きい場合、 A がBに先行する 参照系 、  B がAに先行する 参照系、そしてそれらが同時である参照系が存在する。結果として、ある物体が 慣性参照系に対してcより速く移動している場合、別の参照系に対しては時間的に逆方向に移動していることになり、因果律は破られる。[ 43 ] : 497 [ 44 ] [ 45 ]このような参照系では、「結果」がその「原因」よりも先に観測される可能性がある。このような因果律の破れは記録されておらず、[ 46 ]タキオン反電話のようなパラドックスにつながる。[ 47 ]

いくつかの理論的処理では、シャルンホルスト効果により、信号は cよりも10の36分の1だけ速く移動することができます。[ 48 ]しかし、同じ物理的設定に対する他のアプローチでは、そのような効果は見られません。[ 49 ]そして、この効果が発生する可能性のある特殊な条件により、因果律に違反するために使用されることは妨げられるようです。

片道の光速

光の往復速度（例えば、光源から鏡まで、そしてまた光源から鏡まで）がフレームに依存しないことは、実験的にのみ検証可能である。なぜなら、光源と検出器の時計をどのように同期させるかという何らかの規則がなければ、光の片道速度（例えば、光源から遠方の検出器まで）を測定することは不可能だからである。時計にアインシュタイン同期を適用すれば、定義上、光の片道速度は光の往復速度と等しくなる。[ 50 ] [ 46 ]

光速を超える観測と実験

物質、エネルギー、あるいは情報伝達信号がcよりも速い速度で伝わるように見える状況もあります が、実際にはそうではありません。例えば、後述する媒質のセクションで光の伝播について論じているように、多くの波の速度は c を超えることがあります。ほとんどのガラスを通過するX線の位相速度は、日常的にc を超えますが[ 51 ]、位相速度は波が情報を伝達する速度を決定するものではありません[ 52 ] 。

レーザー光線を遠くの物体に高速で照射すると、光点は cよりも速く移動できますが、光がcの速度で遠くの物体に到達するのにかかる時間によって、光点の最初の移動は遅れます 。しかし、実際に移動しているのはレーザーと、そこから放射された光だけです。光は レーザーから光点の各位置まで cの速度で移動します。同様に、遠くの物体に投影された影も、時間の遅れの後、cよりも速く移動することができます。 [ 53 ]どちらの場合も、物質、エネルギー、情報は光より速く移動しません。[ 54 ]

二つの物体が共に運動している基準系における、二つの物体間の距離の変化率（接近速度）はcを超える値をとることがある 。しかし、これは単一の慣性系で測定された単一の物体の速度を表すものではない。[ 54 ]

ある種の量子効果は瞬時に伝達され、したがってEPR パラドックスのようにcよりも速く伝達されるように見える。一例として、もつれ合う可能性のある 2 つの粒子の量子状態が挙げられる。いずれかの粒子が観測されるまで、それらは2 つの量子状態の重ね合わせ状態で存在する。粒子を分離し、一方の粒子の量子状態を観測すると、もう一方の粒子の量子状態が瞬時に決定される。しかし、最初の粒子が観測時にどの量子状態をとるかを制御することは不可能であるため、この方法では情報を伝達することはできない。[ 54 ] [ 55 ]

光速を超える速度の発生を予測するもう一つの量子効果は、ハートマン効果と呼ばれる。これは、特定の条件下では、仮想粒子が障壁をトンネル通過するのにかかる時間は、障壁の厚さに関わらず一定である。[ 56 ] [ 57 ]この効果により、仮想粒子は光速を超える速度で大きな隙間を通過する可能性がある。しかし、この効果を用いて情報を送信することはできません。[ 58 ]

いわゆる超光速運動は、電波銀河やクエーサーの相対論的ジェットなど、特定の天体で観測されています[ 59 ]。しかし、これらのジェットは光速を超える速度で移動しているわけではありません。見かけ上の超光速運動は、光速に近い速度で移動し、視線に対して小さな角度で地球に近づいてくる物体によって引き起こされる投影効果です。ジェットが遠ざかっているときに放射された光は地球に到達するまでに時間がかかるため、2回の連続した観測間の時間は、光線が放射された瞬間間のより長い時間に対応します[ 60 ] 。

2011年にニュートリノが光より速く移動することが観測された実験は、実験誤差によるものであることが判明した。[ 61 ] [ 62 ]

膨張宇宙モデルでは、銀河同士が離れるほど、離れる速度が速くなる。例えば、地球から遠く離れた銀河は、その距離に比例した速度で地球から遠ざかっていると推測される。ハッブル球と呼ばれる境界を超えると、地球からの距離の増加率は光速を超える。[ 63 ]これらの遠ざかる速度は、宇宙時間あたりの固有距離の増加として定義され、相対論的な意味での速度ではない。光速を超える宇宙の遠ざかる速度は、座標の人工物に過ぎない。

光の伝播

古典物理学では、光は電磁波の一種として記述されます。電磁場の古典的な振る舞いはマクスウェル方程式によって記述され、真空中を伝播する電磁波（光など）の速度 cは、真空の分布容量と分布インダクタンス（それぞれ電気定数ε 0と磁気定数μ 0とも呼ばれます）と次の式で関係すると予測されます[ 64 ]

現代量子物理学では、電磁場は量子電磁力学（QED）理論によって記述されます。この理論では、光は光子と呼ばれる電磁場の基本励起（量子）によって記述されます。QEDでは、光子は質量を持たない粒子であり、特殊相対論によれば、真空中を光速で移動します。[ 25 ]

QEDの拡張において、光子が質量を持つという理論が検討されている。このような理論では、光子の速度は周波数に依存し、特殊相対論の不変速度 cが真空中の光速度の上限となる。[ 32 ]厳密な試験では周波数による光速度の変化は観測されておらず、光子の質量に厳しい制限が課されている。[ 65 ]得られる制限は使用するモデルに依存する。質量を持つ光子がプロカ理論で記述される場合、[ 66 ]その質量の実験的上限は約× 10である。−57 グラム; [ 67 ]光子の質量がヒッグス機構によって生成される場合、実験的な上限はそれほど明確ではなく、 m ≤10 −14  eV/ c 2（およそ2 × 10 −47  g）。[ 66 ]

光速度が周波数によって変化するもう一つの理由は、量子重力理論の提案によって予測されているように、特殊相対論が任意の小さなスケールには適用できないことである。2009年のガンマ線バーストGRB 090510の観測では、光子速度のエネルギー依存性を示す証拠は見つからず、プランクスケールに近いエネルギーにおいて、光子エネルギーが光子速度に及ぼす影響に関する特定の時空量子化モデルにおける厳密な制約を裏付けている。[ 68 ]

媒質中

媒質中において、光は通常cに等しい速度で伝播しません。さらに、異なる種類の光波は異なる速度で伝播します。平面波（空間全体を満たす、1つの周波数のみを持つ波）の個々の山と谷が伝播する速度は、位相速度 v pと呼ばれます。有限の広がりを持つ物理信号（光パルス）は異なる速度で伝播します。パルスの全体的なエンベロープは群速度 v gで伝播し、その最も初期の部分は前面速度 v fで伝播します。[ 69 ]

変調波は左から右へ移動します。点が3つあります。青い点は搬送波の節、緑の点は包絡線の最大値、赤い点は包絡線の前方です
青い点はリップルの速度、つまり位相速度で動きます。緑の点はエンベロープの速度、つまり群速度で動きます。赤い点はパルスの先頭部分の速度、つまり前方速度で動きます。

位相速度は、光波が物質内を、またはある物質から別の物質へどのように伝わるかを決定する上で重要です。これは多くの場合、屈折率で表されます。物質の屈折率は、物質内の位相速度 v pに対するcの比として定義され、屈折率が大きいほど速度は低くなります。物質の屈折率は、光の周波数、強度、偏光、または伝播方向によって異なりますが、多くの場合、物質に依存する定数として扱うことができます。空気の屈折率は約 1.0003 です。[ 70 ]水、[ 71 ]ガラス、[ 72 ]ダイヤモンド、[ 73 ]などの高密度媒体の可視光に対する屈折率は、それぞれ約 1.3、1.5、2.4 です。

絶対零度付近のボーズ＝アインシュタイン凝縮体のような特殊な物質では、実効的な光速度はわずか数メートル/秒に過ぎない。しかし、これは原子間の吸収と再放射による遅延を表しており、物質中の1000分の1秒未満の速度を持つ物質すべてに当てはまる。物質中での光の「減速」の極端な例として、2つの独立した物理学者チームが、ルビジウム元素のボーズ＝アインシュタイン凝縮体に光を通過させることで、光を「完全に停止」させたと主張した。これらの実験において光が「停止」するという一般的な説明は、光が原子の励起状態に蓄えられ、その後任意の時間後に2回目のレーザーパルスによって刺激されて再放射されることのみを指している。光が「停止」している間、光はもはや光ではなくなった。この種の挙動は、光速度を「遅くする」すべての透明媒体において、一般的に微視的に当てはまる。[ 74 ]

透明材料では、屈折率は一般に1より大きく、位相速度はcより小さいことを意味します。他の材料では、いくつかの周波数で屈折率が 1より小さくなる可能性があり、一部の特殊な材料では屈折率が負になることさえあります。[ 75 ]因果律が破られないという要件は、あらゆる材料の誘電率の実部と虚部（それぞれ屈折率と減衰係数に対応）がクラマース・クローニッヒの関係式によって結び付けられていることを意味します。[ 76 ] [ 77 ]実際的には、屈折率が1未満の材料では波が急速に吸収されることを意味します。[ 78 ]

異なる群速度と位相速度を持つパルス（位相速度がパルスのすべての周波数で同じでない場合）は、時間の経過とともにぼやけ、分散と呼ばれるプロセスになります。特定の物質は、光波の群速度が非常に低い（またはゼロの）場合があり、この現象はスローライトと呼ばれます。[ 79 ] 反対に、群速度がcを超えるという理論的な提案は、1993年に行われ、2000年に実験的に達成されました。[ 80 ]群速度が無限大または負になり、パルスが瞬間的または時間的に逆方向に移動する可能性もあります。[ 69 ]

これらの選択肢のいずれも、 c より速く情報を伝送することはできません。光パルスでは、パルスの最も早い部分の速度（先端速度）よりも速く情報を伝送することは不可能です。これは（特定の仮定の下では）常にcに等しいことが示されます。[ 69 ]

粒子は、媒質中をその媒質中の光の位相速度よりも速く移動することが可能であり（ただし、cよりは遅い）。荷電粒子が誘電体中をこのように移動すると、衝撃波に相当する電磁波、チェレンコフ放射が放出される。[ 81 ]

有限性の実際的な影響

光速度は通信と関連しており、片道および 往復の遅延時間はゼロより大きい。これは小規模から天文学的スケールまで適用可能である。一方、距離測定など、一部の技術では光速度の有限性に依存している。

小規模

コンピュータでは、光速によってプロセッサ間でデータを送信できる速度に制限があります。プロセッサが1 ギガヘルツでは、信号は1クロックサイクルで最大約30センチメートル（1フィート）しか移動できません。実際には、プリント基板が信号を屈折させて減速させるため、この距離はさらに短くなります。したがって、通信遅延を最小限に抑えるには、プロセッサ同士だけでなくメモリチップも近接して配置する必要があり、プロセッサ間の配線には信号の整合性を確保するための注意が必要です。クロック周波数がさらに上昇すると、光速は最終的に単一チップの内部設計の制限要因になる可能性があります。[ 82 ] [ 83 ]

地球上の長距離

光速度の音響的表現: ビープ音の間の期間に、光は地球の赤道上の円周を移動します。

地球の赤道の円周は約40 075  kmでcは約地球の速度が秒速30万 キロメートルの場合、情報が地球の半分を地表に沿って移動する理論上の最短時間は約67ミリ秒です。光が光ファイバー（透明な材料）を移動する場合、実際の移動時間はこれより長くなります。これは、屈折率nが約1.52の光ファイバーでは光速が約35%遅くなるためです。[ 84 ]地球規模の通信では直線はほとんど見られず、信号が電子スイッチや信号再生器を通過すると移動時間は長くなります。[ 85 ]

この距離はほとんどのアプリケーションではほとんど問題にならないものの、高頻度取引（HFT）などの分野では遅延が重要になります。高頻度取引では、トレーダーは他のトレーダーよりもほんの一瞬早く取引を取引所に届けることで、わずかな利益を得ようとします。例えば、トレーダーは取引拠点間の通信にマイクロ波通信を導入しています。これは、空気中を光速に近い速度で移動する電波が、比較的低速な光ファイバー信号よりも優れているためです。[ 86 ] [ 87 ]

宇宙飛行と天文学

月の直径は地球の約4分の1で、地球と月の間の距離は地球の直径の約30倍です。光線は地球から発せられ、約1.5秒で月に到達します
地球と月の間を光パルスが移動するのにかかる時間、つまり平均軌道（表面間）距離で1.255秒で光線が移動する様子が描かれています。地球・月系の相対的な大きさと距離は縮尺通りに示されています

同様に、地球と宇宙船間の通信も瞬時に行われるわけではありません。送信元から受信先までの間にはわずかな遅延があり、距離が離れるほど顕著になります。この遅延は、月を周回した最初の有人宇宙船となったアポロ8号と地上管制局間の通信において顕著でした。質問ごとに、地上管制局は回答が届くまで少なくとも3秒待たなければなりませんでした。[ 88 ]

地球と火星間の通信遅延は、二つの惑星の相対的な位置関係によって5分から20分の間で変動します。その結果、火星表面でロボットが問題に遭遇した場合、人間の操縦者は約4分から24分後までそのことに気づきません。そして、地球から火星へのコマンドの伝達にはさらに4分から24分かかります。[ 89 ] [ 90 ]

遠くの天体からの光やその他の信号を受信するには、はるかに長い時間がかかります。例えば、130億（13 × 10ハッブル超深宇宙画像に映っている遠くの銀河から光が地球に届くまでには、 9 ) 年かかります。 [ 91 ] [ 92 ]今日撮影されたこれらの写真は、宇宙の年齢が10億年未満だった130億年前の銀河の姿を捉えたものです。 [ 91 ]光の速度が限られているため、より遠くの物体ほど若く見えるという事実は、天文学者が星、銀河、そして宇宙そのものの進化を推測することを可能にしています。 [ 93 ]

天文学的な距離は、特に科学系の出版物やメディアでは光年で表されることがしばしばあります。 [ 94 ]光年は、光が1ユリウス年で移動する距離で、約9461億キロメートル、5879億マイル、または0.3066 パーセクです。概算で1光年は約10兆キロメートル、または約6兆マイルです。太陽に次いで地球に最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリは、約4.2光年離れています。[ 95 ]

距離測定

レーダーシステムは、電波パルスが目標物で反射されてレーダーアンテナに戻ってくるまでの時間で目標物までの距離を測定します。目標物までの距離は、往復の通過時間の半分に光速を掛けた値です。全地球測位システム（GPS）受信機は、各衛星からの無線信号が到達するまでの時間に基づいてGPS衛星までの距離を測定し、これらの距離から受信機の位置を計算します。光は約30万 キロメートル（1秒間に約2万6000 マイル（約3000キロメートル）の距離を移動するため、これらの1秒未満のわずかな測定は非常に正確でなければなりません。月レーザー測距実験、レーダー天文学、そして深宇宙ネットワークは、それぞれ月[ 96 ] 、惑星[ 97 ]、そして宇宙船[ 98 ]までの距離を、往復通過時間を測定することで測定しています。

決定

cの値を決定する方法はいくつかあります。1つは光波の伝播速度を直接測定する方法で、これは様々な天文観測装置や地上観測装置で行うことができます。また、他の物理法則からc を決定することも可能で、例えば電磁定数ε 0とμ 0の値を求め、それらのcとの関係を用いて決定します。歴史的に、最も正確な結果は、光線の周波数と波長をそれぞれ個別に決定し、それらの積がcとなるようにすることで得られてきました。これについては、以下の「干渉法」のセクションで詳しく説明します。

1983年にメートルは「真空中を1⁄2秒の間に光が進む行程の長さ」と定義されました。299 792 458秒」 [ 99 ]で光速の値を定義により、光速は299,792,458  m/sです（下記参照）。したがって、光速を正確に測定すれば、cの正確な値ではなく、メートルの正確な値が得られます。

天文測定

イオが木星を周回するのにかかる時間から光速を測定します。木星の影によるイオの食を利用して、イオの軌道を正確に測定します

宇宙空間は、その広大な空間とほぼ完全な真空状態のため、光速を測定するのに都合の良い環境です。典型的には、光が太陽系内の基準距離（例えば地球の軌道半径）を通過するのに必要な時間を測定します。歴史的に、このような測定は、地球を基準とした基準距離の長さの精度と比較すると、かなり正確に行うことができました。

オーレ・レーマーは1676年に天文学的な測定を用いて光の速度を初めて定量的に推定した。 [ 100 ] [ 101 ]地球から測ると、遠くの惑星を周回する衛星の周期は、地球が惑星に近づいているときの方が遠ざかっているときよりも短くなる。その差は小さいが、何ヶ月にもわたって測定すると累積時間が重要になる。惑星（またはその衛星）から地球への光の移動距離は、地球が軌道上でその惑星に最も近い点にあるときの方が、最も遠い点にあるときよりも短くなり、この距離の差は地球が太陽の周りを回る軌道の直径である。観測された月の公転周期の変化は、光が短い距離または長い距離を横断するのにかかる時間の差によって生じる。レーマーは木星の最も内側の主要な衛星イオでこの効果を観測し、光が地球の軌道の直径を横切るのに22分かかると推定した。[ 100 ]

星から発せられる光線は望遠鏡の対物レンズに当たります。光が望遠鏡を通って接眼レンズまで進む間、望遠鏡は右に移動します。光が望遠鏡内に留まるためには、望遠鏡を右に傾ける必要があります。その結果、遠くの光源は右側の別の場所に現れます。
光行差: 光の速度が限られているため、遠くの光源からの光が、移動する望遠鏡では別の場所からの光として見える現象。

もう一つの方法は、 18世紀にジェームズ・ブラッドリーによって発見され説明された光行差を利用することである。 [ 102 ]この効果は、遠くにある光源（星など）から到達する光の速度とそれを観測する人の速度のベクトル加算によって生じる（右の図を参照）。したがって、移動する観測者はわずかに異なる方向から来る光を見て、結果として光源を元の位置からずれた位置で見ることになる。地球が太陽の周りを回るにつれて地球の速度の方向は絶えず変化するため、この効果によって星の見かけの位置が移動する。星の位置の角度差（最大20.5秒角）[ 103 ]から、光速を地球が太陽の周りを回る速度で表すことができ、これは1年の長さがわかっていることから、太陽から地球までの移動時間に変換できる。1729年、ブラッドリーはこの方法を用いて、光が太陽の周りを回る速度を導出した。地球の公転速度の10倍の210倍の速さ（現代の数字は10066倍速い、あるいは光が太陽から地球まで到達するのに8分12秒かかるということに等しい。[ 102 ]

天文単位

歴史的には、光速は時間測定と組み合わせて天文単位（AU）の値を決定するために使用されていました。[ 104 ]天文単位は2012年に正確に再定義されました。149 597 870 700 メートル。[ 105 ] [ 106 ]この再定義はメートルの再定義と類似しており、同様に光速を天文単位/秒の正確な値に固定する効果があります（メートル/秒での正確な光速を介して）。[ 107 ]

飛行時間技術

マイケルソン、ピーズ、ピアソンによる1930年から1935年にかけての実験は、飛行時間測定の最後かつ最も正確な例の一つであり、回転鏡と長さ1マイル（1.6 km）の真空チャンバーを用いて光線を10回通過させました。この実験では±11 km/sの精度が達成されました。
光線はハーフミラーと回転する歯車を水平に通過し、ミラーで反射され、歯車を通過し、ハーフミラーで反射されて単眼鏡に入ります。
フィゾー装置の図：
  1. 光源
  2. ビーム分割半透明鏡
  3. 光線の歯車式ブレーカー
  4. 遠隔鏡
  5. 伸縮管

光速を測定する方法は、光が既知の距離にある鏡まで移動し、戻ってくるのにかかる時間を測定することです。これは、イポリット・フィゾーとレオン・フーコーによる実験 の原理です

フィゾーが用いた装置は、 8キロメートル（5マイル）離れた鏡に光線を照射するものである。光源から鏡に向かう途中、光線は回転する歯車を通過する。一定の回転速度で光線は往路と復路でそれぞれ1つの隙間を通過するが、回転速度がわずかに速いか遅い場合、光線は歯車の歯に当たり、歯車を通過しない。歯車と鏡の間の距離、歯車の歯の数、そして回転速度がわかれば、光速を計算することができる。[ 108 ]

フーコーの方法は、歯車を回転鏡に置き換えたものである。光が遠くの鏡まで往復する間、鏡は回転し続けるため、光は回転鏡から出る時と戻る時に異なる角度で反射する。この角度差、既知の回転速度、そして遠くの鏡までの距離から、光速を計算することができる。[ 109 ]フーコーはフランソワ・アラゴの提案に基づき、この装置を用いて空気中と水中における光速を測定した。 [ 110 ]

今日では、 1ナノ秒未満の時間分解能を持つオシロスコープを用いることで、レーザーやLEDから発せられた光パルスが鏡で反射した際の遅延を測定することで、光速を直接測定することができます。この方法は他の最新技術に比べて精度が低く（誤差は1%程度）、大学の物理学の授業で実験として用いられることがあります。[ 111 ]

電磁定数

電磁波の伝播の測定に直接依存せずにcを導出する選択肢は、マクスウェルの理論によって確立されたcと真空の誘電率ε0および真空の透磁率μ0の関係を使用することです。c2 = 1 /( ε0μ0 ) 。真空の誘電率はコンデンサの静電容量と寸法を測定することで決定できますが、真空の透磁率の値は歴史的に正確に固定されていました4 π × 10 −7  H⋅m −1 をアンペアの定義を通して求める。ローザとドーシーは1907年にこの方法を用いて299 710 ± 22 km/s。彼らの方法は、電気抵抗の標準単位である「国際オーム」に依存していたため、その精度はこの標準の定義によって制限されていました。[ 112 ] [ 113 ]

空洞共鳴

3つの波が入った箱。上の波の波長は1.5、真ん中の波の波長は1、下の波の波長は半分です
空洞内の電磁定在波

光速を測定する別の方法は、真空中の電磁波の周波数fと波長λを独立に測定することです。 cの値は、 c = λfの関係を使用して見つけることができます。1つの選択肢は、空洞共振器の共振周波数を測定することです。共振空洞の寸法もわかっている場合は、それらを使用して波の波長を決定できます。1946年、ルイス・エッセンとACゴードン・スミスは、寸法が正確にわかっているマイクロ波空洞のさまざまな通常モードのマイクロ波の周波数を確立しました。寸法は、干渉法で較正されたゲージを使用して、約±0.8 μmの精度で確立されました。[ 112 ]モードの波長は空洞の形状と電磁気学理論からわかっていたので、関連する周波数の知識により光速を計算することができました。[ 112 ] [ 114 ]

エッセン・ゴードン・スミスの結果、299 792 ± 9 km/sという値は光学的手法で測定されたものよりかなり正確であった。[ 112 ] 1950年までにエッセンによる繰り返し測定で、299 792 .5 ± 3.0 km/s。[ 115 ]

この技術は、電子レンジとマシュマロやマーガリンなどの食品を使って家庭で簡単に実演できます。ターンテーブルを取り外して食品が動かないようにすると、波の腹（波の振幅が最大になる点）で最も早く加熱され、溶け始めます。この2つの点の間の距離はマイクロ波の波長の半分です。この距離を測定し、波長にマイクロ波周波数（通常は電子レンジの背面に表示されています）を掛け合わせると、2450MHzでは、 cの値は「​​多くの場合5%未満の誤差で」計算できます。[ 116 ] [ 117 ]

干渉法

マイケルソン干渉計の動作の概略図。
干渉法による長さの測定。左：強め合う干渉、右：弱め合う干渉

干渉法は、光速を決定するために電磁放射の波長を求めるもう一つの方法です。[ 118 ]既知の周波数fを持つコヒーレント光ビーム（例えばレーザー光）を2つの経路に分割し、その後再結合させます。干渉縞を観察しながら経路長を調整し、経路長の変化を注意深く測定することで、光の波長λを決定できます。そして、光速はc = λfという式を用いて計算されます。

レーザー技術の出現以前は、干渉計による光速度測定にはコヒーレント電波源が用いられていました。 [ 119 ]干渉計による波長測定は波長が長くなるにつれて精度が低下するため、実験の精度は電波の長波長（約4 mm [0.16インチ]）によって制限されていました。より短い波長の光を用いることで精度は向上しますが、その場合、光の周波数を直接測定することが困難になります。[ 120 ]

この問題を回避する一つの方法は、周波数を正確に測定できる低周波信号から始め、この信号から徐々に高周波信号を合成し、その周波数を元の信号にリンクさせることです。レーザーをその周波数に同期させ、干渉法を用いて波長を決定することができます。[ 120 ]この技術は、米国国立標準技術研究所（NIST）の前身である国立標準局のグループによって考案されました。彼らは1972年にこの技術を用いて、真空中の光速を分数不確かさで測定しました。3.5 × 10 −9 . [ 120 ] [ 121 ]

歴史

近世まで、光が瞬間的に移動するのか、それとも非常に速い有限の速度で移動するのかは分かっていませんでした。この主題に関する現存する最初の研究記録は古代ギリシャにおけるものです。古代ギリシャ人、アラビアの学者、そして古代ヨーロッパの科学者たちは、レーマーが初めて光速度を計算するまで、長い間この問題について議論を続けました。アインシュタインの特殊相対性理論は、光の速度は人の基準系に関係なく一定であると仮定しています。それ以来、科学者たちはますます正確な測定値を提供してきました

c（m/s） の測定履歴
年 実験 値 1983年の値からの偏差
<1638ガリレオ、覆われたランタン結論が出ていない[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] : 1252
1667年アカデミア・デル・チメント、覆われたランタン不明[ 124 ] : 1253 [ 125 ]
1675木星の衛星、レーマーとホイヘンス2億2000万[ 101 ] [ 126 ]−27%
1729ジェームズ・ブラッドリー、光の異常301 000 000 [ 108 ]+0.40%
1849イポリット・フィゾー、歯車3億1500万[ 108 ]+5.1%
1862レオン・フーコー、回転鏡298,000,000 ± 500,000 [ 108 ]​​​−0.60%
1875ヴェルナー・シーメンス2億6000万[ 127 ]−13.3%
1893ハインリヒ・ヘルツ2億[ 128 ]−33.3%
1907ローザとドーシー、電磁定数299 710 000 ± 30 000 [ 112 ] [ 113 ]−280  ppm
1926アルバート・A・マイケルソン、回転鏡299 796 000 ± 4000 [ 129 ]+12 ppm
1950エッセンとゴードン・スミス、空洞共振器299 792 500 ± 3000 [ 115 ]+0.14 ppm
1958KD Froome、電波干渉計299 792 500 ± 100 [ 119 ]+0.14 ppm
1972エヴェンソンら、レーザー干渉法 299 792 456.2 ± 1.1 [ 121 ]−0.006 ppm
1983第17回CGPM、メートルの定義299 792 458（正確）[ 99 ]該当なし

初期の歴史

エンペドクレス（紀元前490年頃～紀元前430年）は、光理論を初めて提唱した人物であり[ 130 ]、光の速度は有限であると主張した[ 131 ] 。彼は光は運動するものであり、したがって移動にはある程度の時間がかかると主張した。これに対し、アリストテレスは「光は何かの存在によるものであり、運動ではない」と反論した[ 132 ] 。ユークリッドとプトレマイオスは、エンペドクレスの視覚放射説を発展させ、光は目から放射され、それによって視覚が実現されるとした。この理論に基づき、アレクサンドリアのヘロンは、星のような遠くの物体は目を開けた瞬間に現れるため、光の速度は無限であるはずだと主張した[ 133 ]。

初期のイスラム哲学者たちは、当初、光には移動速度がないとするアリストテレス的な見解に同意していた。1021年、アルハゼン（イブン・アル＝ハイサム）は『光学の書』を出版し、視覚の放出説を退け、現在では受け入れられている、光が物体から眼球へと移動するという入射説を支持する一連の議論を提示した。 [ 134 ]これにより、アルハゼンは、光には有限の速度があるに違いないと提唱し、[ 132 ] [ 135 ] [ 136 ]光速は変化し、密度の高い物体では低下すると主張した。[ 136 ] [ 137 ]彼は、光は実体のある物質であり、たとえ感覚からは隠されていても、その伝播には時間を要すると主張した。[ 138 ]また11世紀には、アブー・ライハーン・アル・ビールーニーも光の速度には限界があることを認め、光の速度は音速よりもはるかに速いことを観察しました。[ 139 ]

13世紀、ロジャー・ベーコンは、アルハゼンとアリストテレスの著作に裏付けられた哲学的議論を用いて、空気中の光の速度は無限ではないと主張した。[ 140 ] [ 141 ] 1270年代、ウィテロは、光が真空中では無限の速度で移動するが、密度の高い物体では速度が低下する可能性を検討した。[ 142 ]

17世紀初頭、ヨハネス・ケプラーは、何もない空間が光の速度を妨げないので、光の速度は無限であると信じていました。ルネ・デカルトは、光の速度が有限であるなら、月食のときに太陽、地球、月の位置が著しくずれると主張しました。この議論は光行差を考慮に入れると成り立ちませんが、光行差は次の世紀まで認識されませんでした。[ 143 ]そのような位置ずれが観察されていなかったため、デカルトは光の速度は無限であると結論付けました。デカルトは、光の速度が有限であることが判明した場合、彼の哲学体系全体が崩壊する可能性があると推測しました。[ 132 ]それにもかかわらず、スネルの法則を導出する際に、デカルトは、光に関連する何らかの運動がより密度の高い媒体でより速くなると仮定しました。[ 144 ] [ 145 ]ピエール・ド・フェルマーは、媒質の密度が高いほど光の速度が遅くなるという逆の仮定を用いてスネルの法則を導出した。フェルマーはまた、光速度が有限であると主張した。[ 146 ]

最初の測定の試み

1629年、アイザック・ベックマンは、約1マイル（1.6km）離れた鏡に反射する大砲の閃光を観察するという実験を提案しました。1638年、ガリレオ・ガリレイは、数年前にランタンの覆いを外してから少し離れた場所でそれが知覚されるまでの遅延を観察することで光の速度を測定するという実験を提案しました。彼は、光の移動が瞬間的なものかどうかを区別することはできませんでしたが、たとえ瞬間的でなくても、非常に速いに違いないと結論付けました。[ 122 ] [ 123 ]ガリレオによると、彼が使用したランタンは「1マイル未満の短い距離」にあったとのことです距離が1マイルよりそれほど短くなく、「約30分の1秒が肉眼で識別できる最小の時間間隔」であると仮定すると、ガリレオの実験はせいぜい光速度の下限を毎秒約60マイルに設定したと言えるだろうとボイヤーは指摘している。[ 123 ] 1667年、フィレンツェのアカデミア・デル・チメントは、約1マイル離れたランタンでガリレオの実験を行ったが、遅延は観測されなかったと報告した。[ 147 ]この実験における実際の遅延は約11マイクロ秒であったであろう。

太陽の周りを回る惑星の軌道と、別の惑星の周りを回る衛星の軌道の図。後者の惑星の影は陰影で示されています
レーマーによる地球からのイオ掩蔽の観測

光速の最初の定量的な推定は、 1676年にオーレ・レーマーによってなされました。[ 100 ] [ 101 ]木星の最も内側の衛星イオの周期が、地球が木星から遠ざかっているときよりも近づいているときの方が短く見えるという観測から、彼は光の速度は有限であると結論付け、光が地球の軌道の直径を横切るのに22分かかると推定しました。クリスティアーン・ホイヘンスは、この推定値と地球の軌道の直径の推定値を組み合わせて、光速を推定しました。220000  km/sであり、これは実際の値よりも27％低い。[ 126 ]

アイザック・ニュートンは1704年に著した『光学』の中で、レーマーによる光の速度の有限性の計算を報告し、太陽から地球まで光が移動する時間を「7分または8分」としました（現代の値は8分19秒です）。[ 148 ]ニュートンはレーマーの日食の影に色があるかどうかを尋ねました。色がないと聞いて、彼は異なる色の影が同じ速度で移動すると結論付けました。1729年、ジェームズ・ブラッドリーは恒星行差を発見しました。[ 102 ]この現象から、彼は光が地球の軌道の10,210倍の速度で移動する必要があると算出しました（現代の値は10,066倍です）。つまり、太陽から地球まで光が移動するには8分12秒かかるということです。[ 102 ]

電磁気学との関連

19世紀、イポリット・フィゾーは地球上の飛行時間測定に基づいて光の速度を決定する方法を開発し、次の値を報告しました315,000  km/s。[ 149 ]彼の方法はレオン・フーコーによって改良され、1862年には298,000  km/sに達しました。[108] 1856年、ヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバーとルドルフ・コールラウシュはライデン瓶の放電によって電荷の電磁単位と静電単位の比1/√ε0μ0を測定し、その数値がフィゾーによって直接測定された光速に非常に近いことを発見しました。翌年、グスタフ・キルヒホフは抵抗のない電線上の電気信号がこの速度で電線に沿って伝わることを計算し、この速度は150としました。[ 150 ]

1860年代初頭、マクスウェルは、自身が研究していた電磁気学の理論によれば、電磁波は上記のウェーバー/コールラウシュ比に等しい速度で空間を伝播することを示しました[ 151 ]。そして、この値がフィゾーによって測定された光速と数値的に近似していることに注目し、光は実際には電磁波であると提唱しました[ 152 ] 。マクスウェルは、1868年の哲学論文集に発表した自身の実験でこの主張を裏付け、電気の静電単位と電磁単位の比率を決定しました[ 153 ] 。

「光伝導エーテル」

光の波動性はトーマス・ヤングの時代からよく知られていました。19世紀、物理学者たちは光がエーテル（またはエーテル）と呼ばれる媒体中を伝播すると信じていました。マクスウェルの理論によって光と電磁波が統一された後、光と電磁波の両方が同じエーテル媒体（または光伝導エーテルと呼ばれる）中を伝播すると考えられました。[ 154 ]

ヘンドリック・ローレンツ（右）とアルバート・アインシュタイン（1921年）

一部の物理学者は、このエーテルが光の伝播における好ましい基準系として機能し、したがって光速度の等方性を測定することで、この媒質に対する地球の運動を測定できるはずだと考えました。1880年代以降、この運動を検出しようとするいくつかの実験が行われましたが、その中で最も有名なのは、1887年にアルバート・A・マイケルソンとエドワード・W・モーリーが行った実験です。 [ 155 ] [ 156 ]検出された運動は常にゼロ（観測誤差内）であることが確認されました。現代の実験では、光の往復速度は毎秒6ナノメートル以内の誤差で等方性（どの方向でも同じ）であることが示されています。[ 157 ]

ヘンドリック・ローレンツは、マイケルソン・モーリーの実験に基づき、エーテル中を移動する装置が運動方向に沿って長さ方向に収縮する可能性があると提唱し、さらに運動系の時間変数もそれに応じて変化する（「局所時間」）と仮定し、ローレンツ変換の定式化に至った。ローレンツのエーテル理論に基づき、アンリ・ポアンカレ（1900年）は、この局所時間（ v / cの一次）は、光速一定という仮定の下で同期されたエーテル中を移動する時計によって示されることを示した。1904年、彼はローレンツ理論の仮定がすべて検証される限り、光速が力学における限界速度となり得ると推測した。1905年、ポアンカレはローレンツのエーテル理論を相対性原理と完全に観測的に一致させた。[ 158 ] [ 159 ]

特殊相対性理論

1905年、アインシュタインは最初から、加速しない観測者によって測定された真空中の光速度は、光源または観測者の運動とは無関係であると仮定しました。これと相対性原理を基礎として、彼は特殊相対性理論を導き出しました。この理論では、真空中の光速度cが基本定数として取り上げられ、光とは無関係な状況にも現れます。これにより、静止エーテルの概念（ローレンツとポアンカレは依然としてこれを支持し続けていた）は役に立たなくなり、空間と時間の概念に革命をもたらしました。[ 160 ] [ 161 ]

Cの精度向上とメートルと秒の再定義

20世紀後半には、まず空洞共鳴技術、後にレーザー干渉計技術によって、光速測定の精度向上において大きな進歩が遂げられました。これは、メートルと秒の新しい、より正確な定義によって支えられました。1950年、ルイ・エッセンが光速を次のように決定しました。299 792 .5 ± 3.0 km/s、空洞共鳴を使用しています。[ 115 ]この値は1957年に第12回無線科学連合総会で採用されました。1960年にメートルはクリプトン86の特定のスペクトル線の波長に基づいて再定義され、1967年に秒はセシウム133の基底状態の超微細遷移周波数に基づいて再定義されました。[ 162 ]

1972年、コロラド州ボルダーにある米国国立標準局のグループは、レーザー干渉計法と新しい定義を用いて、真空中の光速がc =であると決定しました。299 792 456 .2 ± 1.1 m/s。これは、それまでに受け入れられていた値の100分の1の不確かさでした。残りの不確かさは主にメートルの定義に関連していました。 [ 163 ] [ 121 ]同様の実験でcについても同等の結果が得られたため、1975年の第15回国際度量衡総会では、光速は299,792,458  m/sである。 [ 164 ]

明示的な定数として定義される

1983年、第17回国際度量衡総会（CGPM）において、周波数測定から得られる波長と光速の値は、以前の標準よりも再現性が高いことが確認されました。1967年の秒の定義はそのまま維持され、セシウム超微細振動数によって秒とメートルの両方が決定されることになりました。このため、メートルは「真空中を光が1/3の時間間隔で移動する距離」と再定義されました。299,792,458秒」。[ 99 ]

この定義の結果、真空中の光速の値は正確に299 792 458  m/s [ 165 ] [ 166 ] SI単位系では定義された定数となっています。[ 15 ] 1983年以前に光速を測定していた実験技術の改良により、SI単位での光速の既知の値は影響を受けなくなり、代わりにクリプトン86やその他の光源の波長をより正確に測定することで、メートルのより正確な実現が可能になりました。[ 167 ] [ 168 ]

2011年、CGPMはSI基本単位7つすべてを「明示的定数定式化」と呼ぶ方法で再定義する意向を表明した。これは、光速の場合と同様に、「各単位は、よく知られた基本定数の正確な値を明示的に指定することによって間接的に定義される」というものである。CGPMは、メートルの定義について、新しい、しかし完全に同等の文言を提案した。「メートル（記号m）は長さの単位である。その大きさは、真空中の光速の数値を正確に次の値に固定することによって設定される。」SI単位ms -1で表すと299 792 458となる。」[ 169 ]これは、2019年のSI改訂版（新SIとも呼ばれる）に組み込まれた変更点の1つである。[ 170 ]

参照

注記

  1. ^正確な値: (299 792 458 ×86 400 /149 597 870 700 ) AU/日。
  2. ^正確な値: (999 992 651  π /10 246 429 500 ) 個/年.

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さらに詳しい情報

歴史的参考文献

現代の参考文献

ウィキクォートには光速に関する引用があります
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