光速是怎样测出来的?

王朝干货·作者佚名  2011-11-27
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1834年,英国物理学家惠斯通利用旋转镜来测定电火花持续的时间,也想用此法来测定光速,同时也想确认一下在拆折射率更大的介质中,光速是否更大。惠斯通的思想方法是正确的,但是他没有完成。

斐索先后研究了光的干涉、热膨胀等,发明了干涉仪。他在研究和测量光速问题上作出了贡献,是第一个不用天文常数、不借助天文观察来测量光速的人。他是采用旋转齿轮的方法来测定光速的。测出的光速为 342539.21千米/秒,这个数值与当时天文学家公认的光速值相差甚小。

傅科在物理学史上以其“傅科摆”的实验著名于世。在光速测定的研究中,他是采用旋转平面镜的方法来测量光速的。其测得的光速为29.8×107米/秒,并分析实验误差不可能超过5×105米/秒。

1850年5月6日傅科向科学院报告了自己的实验结果,并发现光速在水中比在空气中小,证明了波动说的观点是正确的。

迈克耳逊(美国人,A.A.Michelson,1852-1931)继承了傅科的实验思想,用旋转八面棱镜法测得光速为299796千米/秒。

1676年9月,罗默向巴黎科学院宣布,原来预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟。巴黎天文台的天文学家们虽然怀疑罗默的神秘预言,但还是作了观测并证实了木卫食的推迟。11月22日罗默在解释这个现象时说,这是因为光穿越地球的轨道需要时间,最长时间可达22分钟。后来惠更斯利用罗默的数据和地球轨道直径的数据,第一次计算出光速为 2×108米/秒。

1681年罗默被克利斯汀五世召回丹麦,担任了丹麦皇家学会天文学家,此后人们就不知道他的工作又有什么新的进展,他留下的观测资料也在1728年哥本哈根城的大火之中烧为灰烬。直到18世纪的时候,他的理论才被一位英国格林尼治天文台的天文学家、牛津大学教授布喇德雷以意料不到的方式所证实。

1928年9月某一天,布喇德雷教授与同事乘船沿泰晤士河航行。教授站在船的甲板上,望着桅杆上不时在改变方向的风标,十分奇怪,难道风向会这样不停地改变吗?一位水手向他解释说,这是船在改变航向,风向并没有变。这个回答启发了教授,他立刻想到,既然船的航行会改变人对风向的观察,那么地球上的人,他看到的光传播方向也会因为地球的运动而有所改变。于是他把这个新的发现结合到自己的研究工作中来,使一个困惑多时的难题迎刃而解了。

原来教授在观测一颗星的视差时,惊奇地发现遥远的星体都以一年为周期在天球上画出一个小椭圆。他一直无法解释这种现象,现在他明白了,这就是“光行差”现象。由遥远的恒星S传向地球的光微粒类似于垂直下落的雨滴,当我们向前奔跑时,觉得雨滴是倾斜地向我们飞来。同样的道理,地面上的望远镜被地球带着向前运动,为了使光微粒能恰好穿过镜筒被观察者看到,就必须让镜筒向前倾斜一个合适的角度α,所以看起来恒星的位置在S’方向。一年内,观察者在地球轨道的不同位置上观察这颗恒星,就可以看到它的位置S’在天球上兜了一个小圈子。

显然,当观察者通过倾斜的镜筒观察到恒星的光时,说明它的倾角的正切 的运行速度就可以求出光速。利用这种方法求得的光速为3.03×108米/秒,比惠更斯算得的值又前进了一步。用天文学方法测定光速虽然取得了成功,但物理学家们并没有因此认为这个光速值已经相当精确了。因为这种方法尽管在原理上无可挑剔,但计算上还得依赖一些天文数据,而这些数据本身就谈不上有很高的精确度。所以到了19世纪,科学家们开始研讨在地面上测定光速的可能性。由于光速极大,因此测量必须用到很长的距离或者很短的时间。对地面观测来说,精确测定很短的时间间隔是问题的关键。地面上构思巧妙的光速测定实验都是围绕这个主题来设计的。在这方面作出开拓性工作的人是法国科学家菲索和傅科。说来也巧,这两位大师都在1819年出生于巴黎,年轻时又不约而同地选修了物理专业,并且还成为初期研究的合作伙伴。菲索出生于豪富的家庭,继承了大笔遗产,他本可以用这大笔钱玩乐享受,但他并没有这样做,而把自己的财产用来作为研究经费。1849年他首先在地面上成功地用“齿轮法”完成了光速测量。菲索让光源发出的光从转动齿轮的间隙中通过,再通过透镜变成平行光束,这光束聚焦于安装在一定距离的平面镜上,被平面镜反射后再沿着相反的方向返回齿轮,进入观察者的眼睛。

当齿轮以某一速度转动时,观察者将看不到返回的光,这是因为光线从齿轮到达平面镜再回到齿轮时,恰好为下一个移来的齿所遮蔽,倘若使轮的转速增加1倍,光点又重新被看到了,因为返回的光恰好穿过下一个齿缝。设轮的 如果光速为C,齿轮与平面镜间的距离为l,那么, 进行的。齿轮的齿数是720个,计算光速为313,300公里/秒。

1850年,法国物理学家傅科设计了一面旋转的镜子,让它用一定的速度转动,使它在光线发出并且从一面静止的镜子反射回来的这段时间里,刚好旋转一圈。这样,能够准确地测得光线来回所用的时间,就可以算出光的速度。经过多次实验,傅科测得的光速平均值等于 2.98×108米/秒。值得一提的是,傅科还在整个装置充入了水,测定了光在水中的速度。他发现光在水中的速度与空气中的速度之比近似等于3/4,正如等于水和空气的折射率之比,水中的光速慢于真空中的光速,与微粒理论的预言相悖。然而具有戏剧性的事实是,此时大多数物理学家早已接受了光的波动说,所以这个实验结果对微粒理论来说只是一个迟到的唁电。

此后不久,还有法国的科尼尔、美国的纽科姆、迈克尔逊都做过出色的测定光速实验,近年来最精确测量表明,光在真空里的速率为每秒299 792 456.2米,估计误差值为每秒 1米或 0.000001%。

参考资料:http://218.28.49.211/Resource/Book/Edu/SZJY/TS007060/0016_ts007060.htm

光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义。它不仅推动了光学实验,也打破了光速无限的传统观念;在物理学理论研究的发展里程中,它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据,而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发展。

在光速的问题上物理学界曾经产生过争执,开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间,是在瞬时进行的。但伽利略认为光速虽然传播得很快,但却是可以测定的。1607年,伽利略进行了最早的测量光速的实验。

伽利略的方法是,让两个人分别站在相距一英里的两座山上,每个人拿一个灯,第一个人先举起灯,当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯,从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光传播两英里的时间。但由于光速传播的速度实在是太快了,这种方法根本行不通。但伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕。

1676年,丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法。他在观测木星的卫星的隐食周期时发现:在一年的不同时期,它们的周期有所不同;在地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相差十四五天。他认为这种现象是由于光具有速度造成的,而且他还推断出光跨越地球轨道所需要的时间是22分钟。1676年9月,罗麦预言预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟。巴黎天文台的科学家们怀着将信将疑的态度,观测并最终证实了罗麦的预言。

罗麦的理论没有马上被法国科学院接受,但得到了著名科学家惠更斯的赞同。惠更斯根据他提出的数据和地球的半径第一次计算出了光的传播速度:214000千米/秒。虽然这个数值与目前测得的最精确的数据相差甚远,但他启发了惠更斯对波动说的研究;更重要的是这个结果的错误不在于方法的错误,只是源于罗麦对光跨越地球的时间的错误推测,现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒,很接近于现代实验室所测定的精确数值。

1725年,英国天文学家布莱德雷发现了恒星的“光行差”现象,以意外的方式证实了罗麦的理论。刚开始时,他无法解释这一现象,直到1728年,他在坐船时受到风向与船航向的相对关系的启发,认识到光的传播速度与地球公转共同引起了“光行差”的现象。他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒。这个数值较罗麦法测定的要精确一些。菜德雷测定值证明了罗麦有关光速有限性的说法。

光速的测定,成了十七世纪以来所展开的关于光的本性的争论的重要依据。但是,由于受当时实验环境的局限,科学家们只能以天文方法测定光在真空中的传播速度,还不能解决光受传播介质影响的问题,所以关于这一问题的争论始终悬而未决。

十八世纪,科学界是沉闷的,光学的发展几乎处于停滞的状态。继布莱德雷之后,经过一个多世纪的酝酿,到了十九世纪中期,才出现了新的科学家和新的方法来测量光速。

1849年,法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速。他的方法原理与伽利略的相类似。他将一个点光源放在透镜的焦点处,在透镜与光源之间放一个齿轮,在透镜的另一测较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜,平面镜位于第二个透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光,平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点,在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿,当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光,当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间,根据齿轮的转速,这个时间不难求出。通过这种方法,菲索测得的光速是315000千米/秒。由于齿轮有一定的宽度,用这种方法很难精确的测出光速。

1850年,法国物理学家傅科改进了菲索的方法,他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上,同样用平面镜的转速可以求出时间。傅科用这种方法测出的光速是298000 千米/秒。另外傅科还测出了光在水中的传播速度,通过与光在空气中传播速度的比较,他测出了光由空气中射入水中的折射率。这个实验在微粒说已被波动说推翻之后,又一次对微粒说做出了判决,给光的微粒理论带了最后的冲击。

1928年,卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1951年,贝奇斯传德用这种方法测出的光速是299793千米/秒。

光波是电磁波谱中的一小部分,当代人们对电磁波谱中的每一种电磁波都进行了精密的测量。1950年,艾森提出了用空腔共振法来测量光速。这种方法的原理是,微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振。根据空腔的长度可以求出共振腔的波长,在把共振腔的波长换算成光在真空中的波长,由波长和频率可计算出光速。

当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。1958年,弗鲁姆求出光速的精确值:299792.5±0.1千米/秒。1972年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值:***********.4±0.1米/秒。

光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义。虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间,但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展,尤其是在微粒说与波动说的争论中,光速的测定曾给这一场著名的科学争辩提供了非常重要的依据。

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