Pięćdziesiąta rocznica precyzyjnego wyznaczenia prędkości światła
W kończącym się 2022 roku mija już pięćdziesiąta rocznica wyznaczenia prędkości światła w próżni. Można by powiedzieć, że był to początek rewolucji w miarach, dzisiaj odzwierciedlony w nowym SI.
Precyzyjne ustalenie tej wartości umożliwiło na nowo zdefiniowanie jednostki miary długości SI, czyli metra. Stało się również początkiem nowego podejścia przy definiowaniu pozostałych podstawowych jednostek miar SI w oparciu o stałe definiujące, do których właśnie zalicza się prędkość światła w próżni. W ten sposób rozpoczęła się rewolucja w miarach, dzisiaj odzwierciedlona w nowym SI.
Do wyznaczenia prędkości światła zastosowano metodę pomiaru pośredniego, poprzez niezależny pomiar częstotliwości i długości promieniowania laserowego. Wyczynu tego dokonał zespół naukowców pracujących w JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics), pod kierownictwem Johna Halla, laureata Nagrody Nobla. JILA to instytut naukowy stworzony w 1962 roku, znajdujący się na terenie kampusu Uniwersytetu Kolorado w Boulder i zarządzany wspólnie przez ten uniwersytet i przez National Institute of Standards and Technology (krajową instytucję metrologiczną w USA).
John Hall i Richard Barger stworzyli układ pomiarowy z interferometrem w konfiguracji Fabry-Perota. Źródłem promieniowania był stabilizowany metanem laser helowo-neonowy, a źródłem odniesienia lampa kryptonowa, której określona długość fali definiowała metr. W 1972 roku wyznaczyli długość fali, która wyniosła 3,392 231 376(12) μm dla badanej linii metanu, przyjmując założenie, że punktem odniesienia linii lampy kryptonowej był jej środek ciężkości. Ze względu na asymetrię tej linii określili również długość fali promieniowania lasera w odniesieniu do jej punktu maksimum intensywności, uzyskując wynik 3,392 231 404(12) μm.
Jednocześnie Kenneth Evenson i jego zespół zmierzyli częstotliwość linii metanu i ustalili jej wartość na 88,376 181 627(50) THz. Mnożąc tę częstotliwość przez długość fali zmierzoną przez Halla i Bargera, zespół naukowców z JILA wyznaczył prędkość światła, wynoszącą 299 792 456,2(1,1) m/s oraz 299 792 458,7(1,1) m/s, dla dwóch punktów odniesienia pierwotnego wzorca długości. Osiągnięcie to zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym Physical Review Letters *), w listopadzie 1972 roku.
W 1975 roku 15. CGPM (Generalna Konferencja Miar) ostatecznie przyjęła wartość prędkości światła w próżni jako c = 299 792 458 m/s, a w roku 1983 weszła w życie rezolucja 17. CGPM definiująca metr jako długość przebyta przez światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s.
*) K. M. Evenson, J. S. Wells, F. R. Peterson, B. L. Danielson, G. W. Day, R. L. Barger, J. L. Hall: Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser. Physical Review Letters, vol. 29 (1972),
s. 1346-1349.