光の速さは、どうやって初めて測ったの？
― 木星の月が、予定より遅れて姿を見せました

光は、1秒で地球を7周半するほど速く進みます。速すぎて、地上の実験では長いあいだ「一瞬で届く」としか思えませんでした。最初に光の速さをとらえたのは、地上の装置ではありません。はるか遠くの木星をまわる、小さな月の「遅刻」でした。

決め手は、2つのことを組み合わせたことでした

つまり、同じ出来事でも、遠くにいるほど「知らせ」が届くのが遅れます。その遅れの大きさが分かれば、光の速さが計算できるのです。

イオは、空に浮かぶ正確な時計でした

木星の4つの大きな月は、1610年にガリレオ・ガリレイが望遠鏡で見つけました。中でもイオは木星にいちばん近く、2日足らずで1周します。1周するたびに、木星がつくる影の中へ入り、しばらくして出てきます。

この「食」の時刻は、地球のどこから見ても同じ瞬間に起きます。そのため当時は、陸や海で自分のいる経度を知るための時計として注目されていました。パリ天文台では、イオの食の時刻を予報する表が作られていたとされています。

ところが、何年も観測を積み重ねると、困ったことが分かってきました。予報と実際の時刻が、季節によってずれるのです。地球が木星に近い時期は早めに、遠い時期は遅めに見えました。

地球が遠ざかると、なぜ時計が遅れるの？

このずれに正面から向き合ったのが、デンマーク出身でパリ天文台にいたオーレ・レーマーです。1676年、彼は「その年の11月のイオの食は、予報より約10分遅れる」と前もって述べたとされています。そして観測は、その予告に近い結果になりました。

理由は図1を見ると分かります。地球が木星に近い位置にいるとき、イオからの光は短い道のりで届きます。半年ほどたって地球が太陽の反対側へ回ると、光は地球の通り道の直径ぶん、余分に走らなければなりません。

イオが影から出た瞬間の光は、地球が遠い側にいるほど長い距離を旅してから目に入ります。だから食が遅れて見えるのです。レーマーは、地球の通り道を横切るのに光が22分ほどかかると見積もったとされています。いまの値は約16分40秒なので、最初の測定としては驚くほど近い数字です。

なぜ地上の実験では分からなかったの？

ガリレオは、離れた丘に立った2人がランプの覆いを開け閉めして、光が往復する時間を測ろうとしたとされています。けれども、何の遅れも分かりませんでした。光が1km進むのにかかる時間は、10万分の1秒にもなりません。人の反応の遅れのほうが、何千倍も大きかったのです。

レーマーの方法がうまくいったのは、距離のほうを宇宙の大きさにしたからです。地球の通り道の直径は約3億km。ここまで道のりを伸ばせば、光でさえ何分もかかります。それなら、当時の振り子時計でも十分に測れました。

もう1つの工夫は、遅れを「ためて」見たことです。イオが1周するあいだに地球が遠ざかる距離は、光にとってはわずか15秒ほどの差にしかなりません。それでも、何十周ぶんも積み重なれば、10分以上のはっきりしたずれになります。

まとめ

光は一瞬で届くのではなく、決まった速さで進みます。それを最初に示したのは、木星の月イオの食が、地球が遠い時期ほど遅れて見えるという観測でした。レーマーは、地上では短すぎる光の道のりを、地球の通り道の大きさまで伸ばすことで、見えない遅れを見える遅れに変えたのです。

光は一瞬ではなかった。
それを教えたのは、遅れてきた木星の月でした。

2200年前に影で地球の大きさを測った話は「地球の大きさは、どうやって測ったの？」、光の往復時間で月までの距離を測る話は「月って、どれくらい遠いの？」で紹介しています。

※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。歴史上の出来事の日付や数値は、資料によって多少異なることがあります。