Все началось с Джеймса Максвелла. Хотя если быть точным, это началось с Майкла Фарадея, который любил проводить эксперименты с электричеством и магнетизмом. Но он не был хорош в математике, а Максвелл был. Максвелл составил уравнения, описывающие электрические поля, магнетизм и электромагнетизм в опытах Фарадея, а также вывел уравнение для расчета скорости света.
Это значение уже было измерено в то время (середина XIX века) с помощью, среди прочего, метода аберрации света Джеймса Брэдли и метода вращающихся зеркал Леона Фуко .
Но благодаря Максвеллу и Фарадею, а также Эрнсту Маху мы узнали, что свет — это волна. Однако в то время (середина XIX века) предполагалось, что свет распространяется в среде, называемой «эфиром» и считалось, что скорость света не зависит от измеряемого направления. Но скорость света была настолько высока, что было трудно измерить его реальную скорость.
Решить эту проблему смогли Альберт Майкельсон и Эдвард Морли проведя эксперимент, в котором скорость света измерялась одновременно в двух направлениях. Чтобы устранить любое возмущение, они использовали метод интерферометрии (который очень хорошо показывает различия) на каменной плите, плавающей на ртути. Они не смогли увидеть никакой разницы в скорости света, независимо от направления. Эксперимент Майкельсона/Морли со временем повторялся и уточнялся, и никто не мог измерить разницу в скорости света независимо от направления. Казалось, что скорость света постоянна независимо от того, под каким углом вы ее измеряете.
Хендрик Лоренц предположил, что постоянная скорость света возникает из-за сжатия по его длине в направлении движения. Он думал, что это из-за того, что движущийся объект перемещается через «эфир» (что было преобладающей теорией в то время). Анри Пуанкаре показал, что местное время также замедляется, и предположил, что скорость света является пределом.
И тут наступил ХХ век
Альберт Эйнштейн полностью отказался от эфира и использовал принцип относительности, согласно которому уравнения, описывающие законы физики, имеют одинаковую форму независимо от системы отсчета. Он объединил преобразования Лоренца и идеи Пуанкаре в специальную теорию относительности.
Одним из эффектов специальной теории относительности является то, что скорость света является ограничителем не только света, но и всего: если что-то движется со скоростью света, его длина становится равной нулю, его время тянется до бесконечности, а если оно имеет массу, это требует бесконечной энергии. Если что-то движется быстрее скорости света, его длина, время и масса становятся мнимыми. Если что-то не имеет массы, его единственная возможная скорость — скорость света.
С тех пор теории относительности неоднократно подтверждались экспериментально, что, в свою очередь, означает, что должен существовать предел скорости Вселенной, который, как показано экспериментально и вытекает из уравнений Максвелла, составляет ≈ 2,998×10^8 м/с.
Но если мерять что-то в метрах и секундах, вы должны знать, какова длина метра и продолжительность секунды. И в этом проблема: откуда вы это знаете?
В то время, когда Максвелл вывел скорость света, метр определялся как 1/10 000 000 расстояния от Северного полюса до экватора через парижский меридиан. Но никто не мог понять это расстояние, поэтому на всякий случай прототип счетчика был создан и хранился в Париже. Секунда была определена как 1/86 400 часть времени, за которое Земля делает один оборот вокруг своей оси.
После этих определений мы стали лучше измерять вещи и узнали, что Земля немного смещается и поэтому нельзя полагаться на нее при определении метра и секунды.
Но уже было доказано, что скорость света постоянна. Таким образом, было принято решение использовать скорость света для определения метра.
Итак, теперь мы определяем секунду как 9 192 631 770 периодов сверхтонкого перехода цезия-133 в основном состоянии, а метр теперь определяется расстоянием, пройденным светом за 1/299 792 458 секунды.
