光速测量。。。知识讲解

光速测量。。。

人类最早对于光速的测量始于伽利略。最早光速的准确数值是通过观测木星对其卫星的掩食测量的。还有转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。1983“米”的标准，并且约定光速严格等于299,792,458米/秒，此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。后来，随着实验精度的不断提高，光速的数值有所改变，米被定义为1/299,792,458秒内光通过的路程。根据现代物理学，所有电磁波，包括可见光，在真空中的速度是常数，即是光速。强相互作用、电磁作用、弱相互作用传播的速度都是光速，根据广义相对论，万有引力传播的速度也是光速，且已于2003年得以证实。根据电磁学的定律，发放电磁波的物件的速度不会影响电磁波的速度。结合相对性原则，观察者的参考坐标和发放光波的物件的速度不会影响被测量的光速，但会影响波长而产生红移、蓝移。这是狭义相对论的基础。相对论探讨的是光速而不是光，就算光被稍微减慢，也不会影响狭义相对论。丹麦天文学家罗默从地球观测木卫一的掩蔽来测量光速。1676年奥勒·罗默使用望远镜研究木星的卫星艾欧的运动，第一次定量的估计出光速。艾欧的公转轨道可以用来计算时间，因为它会规律的进入木星的阴影中一段时间（图中的C至D）。罗默观测到当地球在最接近木星时（H点），艾欧的公转周期是42.5小时，当地球远离木星时（从L至K），艾欧从阴影中出现的时间会比预测的越来越晚，很明显的是因为木星与地球的距离增加，使得"信号"要花更多的时间传递。光要通过行星之间增加的距离，使得计时的信号在第一次和下一次之间因而延长了额外的时间。当地球向木星接近时（从F到G），情形则正好相反。罗默观测到艾欧在接近的40 个轨道周期中周期比远离的40个轨道周期缩短了22分钟。以这些观测为基础，罗默认为在80个轨道周期中光线要多花费22分钟行走艾欧与地球之间增加的距离。这意味着从L至K和F至G，地球经历了80个艾欧轨道周期（42.5小时）的时间，光线只要花22分钟。这对应于一个地球在轨道上绕着太阳运动和光速之间的一个比例（如右图）。

意味着光速是地球的轨道速度的9,300倍，与现在的数值

10,100倍比较，相差无几。在当时，天文单位的估计数值是大约1亿4千万公里。克里斯蒂安·惠更斯结合了天文单位和罗默的时间估计，每分钟的光速是地球直径的1,000倍，他似乎误解了罗默22分钟的意思，以为是横越地球轨道所花费的时间。这相当于每秒220,000公里（136,000英里），比现在采用的数值低了26%，但仍比当时使用其他已知的物理方法测得的数值为佳。艾萨克·牛顿也接受光速是有限的观念，在他1704年出版的书光学中，他提出光每秒钟可以横越地球16.6次（相当于210,000公里/秒，比正确值低了30%）。这似乎是他自己的推断（不能确知他是否有引用或参考罗默的数据）。罗默随后依据同样的原理观察木星表面上的斑点在自转周期上的变化，也观察其他三颗伽利略卫星的相同现象。但是因为这种观测是很困难的，因而日后被其他的方法所取代。. 即使如此，靠著这些观测，光速是有限的仍不能被大众满意的接受（著名的有吉恩·多米尼克·卡西尼），直到在詹姆斯·布雷德里（1728）的观测之后，光速是无限的想法才被扬弃。布雷德里推论若光速是有限的，则因为地球的轨道速度，会使抵达地球的星光有一个微小角度的偏折，这就是所谓的光行差，他的大小只有1/200度。布雷德里计算的光速为298,000公里/秒（185,000英里/1%的差异。光行差的效应在19世纪已经被充分的研究，最著名的学者是瓦西里·雅可夫列维奇·斯特鲁维和

de:Magnus Nyrén。1849年，法国物理学家A.H.L.菲佐用旋转齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量，最早的结果为c=315000千米/秒。1862年，法国实验物理学

傅科根据D.F.J.阿拉戈的设想用旋转镜法测得光速为c=(298000±500)千米/秒。19

世纪中叶

的传播速度等于静电单位电量与电磁单位电量的比值，只要在实验上分别用这两种单位测

量同一电量(或电流)1856年，R.科尔劳施和

测量，麦克斯韦根据他们的数据计算出电磁波在真空中的波速值为3.1074×105千米/秒，此值与菲佐的结果十分接近，这对人们确认光是电磁波起过很大作用。1926年，美国物

理学家c=(299796±4)千米/秒，他于1929年在真空中重做了此实验，测得c=299774千米/秒。后来有人用光开关(克尔盒)代替齿轮转动以改进菲佐的实验，其精度比旋转镜法提高了两个数量级。1952年，英国实验物理学家K.D.费罗

c=(299792.50±0.10)千米/秒。此值于1957年被推荐为国际

推荐值使用，直至1973年。1972年，美国的K.M.ν和真空中的波长λ，按公式c=νλ算得c=(299792458±1.2)米/秒。1975年第15届国际计量大会确认上述光速值作为国际推荐值使用。1983年17届国际计量大会通过了米的新定义，在这定义中光速c=299792458米/秒为规定值，而长度单位米由这个规定值定义。既然真空中

的光速已成为定义值，以后就不需对光速进行任何测量了。其他方法

斐索用旋转齿轮法求得 c = 3.153×10 m/s。他是第一位用实验方法，测定地面光速的实验

者。实验方法大致如下：

沿原路返回。如果齿轮转过一齿所需的时间，正好与光往返的时间相等，就可透过半镀银

面观测到光，从而根据齿轮的转速计算出光速。

的光速，原理和斐索的旋转齿轮法大同小异，他的结果是 c = 2.98 × 10 m/s。第三位在

c =

2.9999 × 10 m/s。1879年，得 c = (2.99910±0.00060) × 10 m/s。后来，他综合旋转镜法和旋转齿轮法的特点，发展了旋转棱镜法，1924～1927年间，得 c

=(2.99796±0.00004) × 10 m/s。迈克耳逊在推算真空中的光速时，应该用空气的群速折

射率，可是他用的却是空气的相速折射率。这一错误在1929

0.00004) × 10 m/s = 299798±4 km/s。

年代雷射器发明，运用稳频雷射器，可以大大降低光速测量的

0.004 ppm，终于在1983