コジマです。
「光の速さをどう測るか？」、そもそも「光は有限の速さを持つのか？」、光の正体を探ることは科学史における大きな難問のひとつだった。
「光は1秒で地球を7周半する」と言われるように、その速さはとてつもない。従って、ヒトの100m走を計測するような単純な方法ではとても測れないのである。
今回は、人類がどのようにして光の速さを測定してきたかを紹介する。
2km程度では光は捉えられない
ガリレオ・ガリレイの著書『新科学対話』には、光速測定の「失敗例」が紹介されている。
A地点に立った人がランプで合図を送り、遠く離れたB地点の人は光を見た瞬間に自身のランプで合図を送り返すとき、A地点の人が、自身のランプで合図を送ってからB地点のランプの合図が届くまでの時間を計測する、というもの。A-B間の距離は2kmほどだったそうだが、光が速すぎて意味のある計測ができなかったそうだ。
350年前：天体観測で光速を測定？
光が有限の速さを持つことが初めて示されたのは1676年のこと。デンマークのオーレ・レーマーが、イオ（木星の衛星）の食周期に着目し、光は地球の公転軌道の直径を横切るのに22分を要すると結論づけた。これを秒速に直せばおよそ21万km/sとなる。実際の光速は約30万km/sだから、350年近く昔としては精度良く求められているといえる。
レーマーの測定を一部簡略化して説明する。
イオは木星の周りを公転しており、地球から見ると木星の影に入るタイミングがある。これをイオの食（しょく）という。イオの食は42.5時間おきに観察できる。
ただ、この42.5時間という食の観測周期が分単位で変動することが、食を毎回観察する中で分かってきた。イオが木星の周りを公転する速度は同じはずなので、食そのものは同じ間隔で起きている。これはおかしい……。
この変動こそが「光がスピードをもつ」ことの証拠であると気付いたのがレーマーだった。
木星の視点で見ると、図のように地球は太陽の周りを一周するように見える。地球が木星に一番近い位置に来る（＝太陽-地球-木星が一直線に並ぶ）ことを衝、逆に一番遠い位置に来る（＝地球-太陽-木星が一直線に並ぶ）ことを合という。
食の光が地球に届く時間は、衝のときが一番短い。一番長いのは合のときだが、このとき地球と木星の間には太陽があり、食を観測するのは難しい。
レーマーは、衝から3ヶ月後のある食を観測し、それが10分間遅れて観測できたことを証拠としたようだ。この10分間が、木星と地球の距離が離れた分を光が進むための時間と考えれば、距離÷時間で光速が求められるという訳だ。
150年前：歯車で測定？
光速測定の実験で最も有名といってもいいのが、1849年にフランスのアルマン・フィゾーが行った実験だろう。フィゾーは歯車を用いた巧妙な実験で、光速を31.3万km/sと求めた。
歯車と鏡を直線上に置いて、歯車の歯の隙間からレーザーを放つと光源の位置に反射光が返ってくるようにする。
ここで歯車をゆっくりと回し始める。光は非常に速いので、最初のうちは光が入射したのと同じ歯の隙間に光が返ってくる。
しかし回転速度を上げていくと、光が返ってくるまでの間に歯がずれて、反射光が遮られるようになる瞬間がある。
歯2がちょうど反射光を遮る状態のイメージ図。実際の実験では歯車の回転速度を少しずつ上げてこの状態を作るこのときの歯車の回転数と歯の数が分かれば、歯車と鏡の間を光が往復する時間が割り出せるのだ。その時間で往復の距離を割れば光速が求まる。
光の速さを測るなんて不可能に思えるが、工夫をこらすと案外できるものなのだなあ。
