ประวัติการวัดอัตราเร็วแสง
ความนิยมของผู้ชม: / 25
แย่มากดีมาก 

 

 


ประวัติการวัดอัตราเร็วแสง

 
เรียบเรียงโดย อ. เดชา ศุภพิทยาภรณ์
 

อัตราเร็วแสงเป็นค่าคงตัวพื้นฐานที่สำคัญมากที่สุดค่าหนึ่ง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่อดีตหลายคนพยายามศึกษา Galileo ถือว่าเป็นบุคคลแรกที่พยายามทดลองวัดหาอัตราเร็วแสง หลังจากนั้นก็มีนักวิทยาศาสตร์หลายคน/กลุ่ม พยายามวัดให้ได้ค่าที่มีความแม่นยำมากขึ้น จนปัจจุบัน เราสามารถวัดอัตราเร็วแสงที่เป็นค่าที่ถูกต้อง 100% เลยทีเดียว

ความพยายามในการวัดอัตราเร็วแสง

ในปี ค.ศ.1629 Beeckman ทำการสังเกตแสงไฟจากลูกปืน ที่สะท้อนออกมาจากกระจกราบซึ่งอยู่ห่างจากปากกระบอกปืน 1 ไมล์ และคิดว่าแสงน่าจะมีอัตราเร็วค่าหนึ่ง

ในปี ค.ศ. 1638 Galileo พยายามวัดอัตราเร็วของแสง โดยการไปยืนอยู่บนยอดเขาลูกหนึ่งและให้ผู้ช่วยของเขาอยู่บนยอดเขาอีกลูกหนึ่งที่อยู่ห่างออกไปหลายไมล์ โดยทั้งคู่ถือโคมไฟไว้คนละดวงแล้วตกลงกันว่า เขาจะเปิดโคมไฟให้แสงจากโคมไฟเดินทางจากเขาไปหาผู้ช่วย เมื่อผู้ช่วยของเขาเห็นแสงก็แสดงว่าแสงได้เดินทางไปถึงผู้ช่วยของเขาแล้วและให้ผู้ช่วยของเขาเปิดโคมไฟทันทีที่เห็นแสงไฟจากเขา เมื่อเขาเห็นแสงจากผู้ช่วยเดินทางกลับมา เขาก็จะทราบเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปและกลับ โดยการหาอัตราส่วนระหว่างระยะทางไปกลับและเวลาที่แสงเดินทางไปกลับ เขาก็จะทราบความเร็วของแสง

แต่จากผลการทดลอง เขาไม่สามารถวัดเวลาที่แสงเดินทางไปกลับได้เลย Galileo จึงสรุปว่า อัตราเร็วแสงมีค่าสูงมาก ไม่สามารถวัดด้วยวิธีการนี้ได้ แต่ Galileo ได้ประมาณว่าแสงมีอัตราเร็วมากกว่าเสียงประมาณ 10 เท่า

 


 

รูปที่ 1 วิธีการวัดอัตราเร็วของแสงของ Galileo

ข้อสังเกต ค่า Reaction time ของคนมีค่าประมาณ 0.2 วินาที จะเห็นว่าช่วงเวลานี้ช้าเกินไปที่จะวัดอัตราเร็วแสงได้ด้วยวิธีของ Galileo

ในปี ค.ศ. 1676 Roemer แสดงให้เห็นว่าอัตราเร็วของแสงมีค่าจำกัดค่าหนึ่ง โดยใช้กล้องโทรทรรศน์สังเกตการเกิดจันทรุปราคาของดวงจันทร์ของดาวพฤหัส โดย Roemer สามารถวัดแสงที่ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสถูกบังได้ หลังจากการสังเกตหลายๆ ปี พบว่า เวลาเริ่มต้นที่ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสถูกบังนั้น มีค่าแตกต่างกัน ทั้งๆ ที่การเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ของดาวพฤหัสเหมือนเดิมทุกประการ Roemer จึงตั้งข้อสังเกตว่าเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางจากดวงจันทร์ที่ถูกบังโดยดาวพฤหัสมายังโลกตอนที่อยู่ตำแหน่งแตกต่างกันรอบดวงอาทิตย์มีค่าแตกต่างกัน ดังรูปที่ 2 Roemer พบว่าเวลาที่แสงใช้ในตำแหน่งที่ 1 มีค่าน้อยกว่าในตำแหน่งที่ 2 เหตุที่เป็นเช่นนี้เป็นเพราะว่า แสงเดินทางไกลกว่าตำแหน่งที่ 1 ซึ่งประมาณเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์

 


 

รูปที่ 2 ตำแหน่งของโลกรอบดวงอาทิตย์ขณะที่สังเกตจันทรุปราคาของดวงจันทร์ของดาวพฤหัส

อัตราเร็วของแสงสามารถหาจากอัตราส่วนระหว่าง ความยาวของเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ และผลต่างของเวลาในตำแหน่งที่ 1 กับ ตำแหน่งที่ 2 โดยหลักการนี้ Roemer สามารถคำนวณหาอัตราเร็วของแสงได้ประมาณ 185,000 ไมล์ต่อวินาทีหรือ 296,000 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งถือว่าใกล้เคียงกับค่าจริงมากทีเดียว

ต่อมาในปี ค.ศ. 1849 Fizeau ทดลองหาอัตราเร็วของแสงใหม่ และถือว่าเป็นการทดลองแรก ที่ทำโดยใช้อุปกรณ์ที่อยู่บนโลก โดยอาศัยหลักการที่คล้ายๆ กับ Galileo คือ ให้แสงเดินทางจากแหล่งกำเนิดผ่านกระจกที่ใช้แยกแสง (Beam splitter) ดังรูปที่ 3 แสงสะท้อนบางส่วนผ่านแผ่นจานหมุนที่มีลักษณะของขอบเป็นช่องที่ห่างกันสม่ำเสมอดังรูป ไปสะท้อนกระจกราบที่ระยะห่างออกไป 20 ไมล์หรือประมาณ 35 กิโลเมตร แสงที่สะท้อนกลับมาสามารถผ่านจานหมุนและ Beam splitter ได้ ทำให้ผู้สังเกตที่อยู่ด้านหลังจานหมุนสามารถมองเห็นแสงที่สะท้อนมาได้

ถ้าปรับอัตราเร็วของจานหมุนจนมีค่าที่เหมาะสม แสงที่สะท้อนจากกระจกจะถูกบัง โดยซี่ของจานหมุน ทำให้ผู้สังเกตไม่สามารถเห็นแสงที่สะท้อนกลับมาได้ ดังนั้นเวลาที่ซี่ของจานหมุนเคลื่อนที่ไปบังแสงพอดี จะต้องเท่ากับเวลาที่แสงเดินทางไปและกลับมาที่จานหมุน และถ้าทราบระยะห่างของซี่ของจานหมุน ระยะทางที่แสงเดินทางไปกลับ อัตราเร็วของจานหมุน ก็สามารถคำนวณหาอัตราเร็วของแสงได้ โดยหลักการนี้ Fizeau สามารถหาอัตราเร็วของแสงได้ประมาณ 313,000 กิโลเมตรต่อวินาที ก็ถือว่าเป็นตัวเลขที่ใกล้เคียงกับค่าจริงมาก

 


 

รูปที่ 3 การจัดอุปกรณ์การวัดอัตราเร็วของแสงของ Fizeau

ในปี ค.ศ. 1880 Michelson ได้ทำการดัดแปลงวิธีการวัดอัตราเร็วของแสงใหม่ โดยใช้กระจกรูปแปดเหลี่ยมหมุน ดังรูปที่ 4 เพื่อที่จะวัดระยะเวลาที่แสงเดินทาง 1 รอบ จากภูเขา Wilson ไปยังภูเขา San Antonio ใน California ซึ่งมีระยะทางประมาณ 35 กิโลเมตร โดยให้กระจกรูปแปดเหลี่ยมนี้หมุนด้วยอัตราเร็วค่าหนึ่ง ถ้ามีแสงสะท้อนออกไปตามทิศที่ปรากฏในรูปที่ 4 ก็แสดงว่า ระยะเวลาที่แสงเดินทางไปกลับต้องเท่ากับระยะเวลาที่กระจกหมุนไปเท่ากับ 1/8 รอบ เมื่อวัดระยะทางและอัตราการหมุนของกระจกได้ ก็สามารถหาอัตราเร็วของแสงได้

โดยวิธีการนี้ เขาวัดอัตราเร็วของแสงได้ประมาณ 186,285 ไมล์ต่อวินาทีหรือ 299,796 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งถือว่าใกล้เคียงกับค่าจริงมาก เช่นกัน

 


 

รูปที่ 4 การจัดอุปกรณ์การวัดอัตราเร็วของแสงของ Michelson

ข้อมูลในตารางที่ 1 แสดงพัฒนาการของวิธีการวัดอัตราเร็วของแสง ซึ่งอัตราเร็วของแสงที่ยอมรับกันในปัจจุบันมีค่าเท่ากับ 299,792.458 กิโลเมตรต่อวินาที ในสุญญากาศ (ในอากาศหรือน้ำ แสงจะเดินทางได้ช้ากว่านี้เล็กน้อย)

 


 

ตารางที่ 1 แสดงอัตราเร็วของแสงที่วัดได้และวิธีการวัด สังเกตช่องสุดท้าย แสดงค่าความคลาดเคลื่อนเป็นศูนย์เลยทีเดียว

ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากโลกเราประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร ทำให้เราทราบว่าแสงเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลกใช้เวลาประมาณ 8 นาที นอกจากนี้เรายังทราบอีกว่า อัตราเร็วของแสงเป็นอัตราเร็วที่สูงสุดที่สรรพสิ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ หรือกล่าวได้ว่าไม่มีอะไรที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสงนั่นเอง

เนื่องจากอัตราเร็วของแสงในตัวกลางหนึ่งๆ มีค่าคงที่ทุกทิศทาง ไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ และการที่อัตราเร็วแสงที่วัดได้ มีความแม่นยำมาก จึงได้มีการกำหนดความยาวมาตรฐานโดยอิงอัตราเร็วของแสง กล่าวคือ แต่เดิมกำหนดว่า ความยาว 1 เมตรมาตรฐานเท่ากับ ส่วนกลับของความยาวเส้นเมริเดียนที่ผ่านกรุงปารีส

ต่อมามีการกำหนดใหม่โดยใช้ความยาวของแท่งมาตรฐานที่เก็บไว้ที่ประเทศฝรั่งเศส ซึ่งทำจากโลหะผสมที่มีแพลทินัม 90% และอิริเดียม 10% และวัดความยาวที่จุดหลอมเหลวของน้ำแข็ง และต่อมาเราทราบว่าอัตราเร็วแสงมีค่าคงที่และถูกต้องร้อยเปอร์เซ็นต์ จึงกำหนดความยาวมาตรฐานใหม่ว่า ความยาว 1 เมตร เท่ากับระยะทางที่แสงเดินทางได้ในเวลา 1/299,792.456 วินาที โดยเริ่มตั้งแต่ปี ค.ศ. 1983 และใช้มาจนถึงทุกวันนี้

แหล่งอ้างอิง:

 

1. Speed of Light[online]. Available from: http://csep10.phys.utk.edu/guidry/violence/lightspeed.html [Accessed 2005 August]
 

2. Speed of Light[online]. Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light [Accessed 2005 August]
 

3. ON THE CONSTANCY OF THE SPEED OF LIGHT [online]. Available from: http://www.ldolphin.org/constc.shtml [Accessed 2005 August]
 

4. How to Measure the Speed of Light [online]. Available from: http://www.speed-light.info/measurement.htm [Accessed 2005 August]
 

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Metre [online] [Accessed 2005 August]
 

 


Views: 16588

Be first to comment this article

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >

 

Statistics

สถิติผู้เยี่ยมชม: 42523505

Who's Online

ขณะนี้มี 17 บุคคลทั่วไป ออนไลน์