光的传播速度

光的传播速度 光的传播速度 真空中电磁波的传播速度。真空中电磁波的传播速度是一个重要的物理量，人们最初通过测量可见光的传播速度得到它的数值，因此称为光速。 　　目前，国际公认的真空中光速c 的数值为：с＝299792458米/秒。 　　17世纪前，天文学家和物理学家以为光速为无限大，宇宙中恒星的光都是瞬时到达地球的。意大利物理学家伽利略首先对上述论点提出怀疑，为了证明光速的有限性，他在1600年左右曾做过粗糙的实验，但未获得成功。 　　1676年，丹麦天文学家O．C．罗默利用观测木星第一个卫星的星食到达时间的变化，首次测量了光速。因为木星和地球的轨道运动周期不同，木星和地球两者之间的距离在不断变化，最大距离与最小距离之差等于地球轨道的直径。罗默发现星食变化周期为13个月，角度起伏约为20秒。这个周期正是地球从距离木星的一个最近位置运行到下一个最近位置的时间。从上述一个位置出发可以估计六个半月后地球到达与木星最远距离时发生星食的时间。罗默发现，在最远距离时比最近距离处星食发生的时间延迟了22分钟，他认为这是因为光飞行需要有限速度引起的。但这个解释当时并未被人们接受。 　　1727年，英国天文学家J．布拉得雷观测到光行差现象，即星的表观位置在地球轨道速度方向上的位移。根据光行差角α＝v/c(v是地球轨道速度)，可以估算光速值，这项独立观测使科学家确认了罗默当年所观测的木星卫星食的延迟就是光速有限的有力论据。 　　1849年，法国物理学家菲索用齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量。他的实验装置如图所示。图中光源S发出的光束在半镀银的镜子G上反射，经透镜L1聚焦到O点，从O点发出的光束再经透镜L2变成平行光束。经过8.633千米后通过透镜L3会聚到镜子M上，再由M返回原光路达G后进入观测者的眼睛。置于O点的齿轮旋转时把光束切割成许多短脉冲，他用的齿轮有720个齿，转速为25转／秒时达到最大光强，这相当于每个光脉冲往返所需时间为1/18000秒，往返距离为17．34千米，由此可得с＝312000千米／秒。 　　1926年，美国实验物理学家迈克尔逊用旋转镜法改进了斐索实验，他用了一个八面体的转镜，测量的光速平均值为299796±4千米／秒。1929年，他又在真空中重复了上述实验，平均值为299774千米／秒。后来，有人用光电开关代替齿轮转动来改进斐索实验，称为克尔盒法。这种方法比旋转镜法的准确度 (10-5量级)又有所提高，达到了10-7量级。 　　1952年，英国实验物理学家K．D．弗罗姆用微波干涉仪法测量光速值，得到数值为 c＝299792．50±0．10（千米/秒）。 　　1957年，国际无线电科学协会(URSI)、国际大地测量学和地球物理学协会(IUGG)分别推荐上述结果作为国际推荐值使用，一直沿用到1973年为止。 　　1972年，美国标准局的K．M．埃文森等人采用直接测量激光频率和真空波长值的方法，用两者的乘积得出真空中光速值，即c=fλ。他们建立了从铯频率基准经过一系列激光器直至由甲烷稳定的氦氖激光器的激光频率链，经过逐级倍频和差频的检测，最终测得甲烷谱线 v3带P(7)支 分量的频率值为 　　　　　f(CH4)=88376181627±50（千赫）， 测量不确定度为±6×10-10;用干涉法测得甲烷谱线的真空波长值为 λ(CH4)＝3392231．40×10-15(米)， 不确定度为±4×10-9。由此可得 с＝=299792458±1．2（米/秒）。 1973年召开的第 5届米定义咨询委员会和1975年召开的第15届国际计量大会先后确认上述光速值作为国际推荐值使用，它的不确定度为±4×10-9，与当时米定义氪－86橙黄谱线复现不确定度相同。 　　由于真空中光速值的准确测量以及激光频率稳定和粗密测频技术的发展，促使米的定义发生了根本性的变革。 　　1983年10月召开的第17届国际计量大会已经通过了新的米定义为：“米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内行程的长度。”在规定的三种复现方法中均明确指出，真空中光速的数值为c=299792458米／秒。在上述新的米定义中，真空中光速的数值已是一个定义值，通过这个定义值，长度单位米与时间单位秒直接联系在一起，而不再是一个与其他基本单位无关的独立基本单位。由于光速已成为定义值，它的不确定度为零，不需要再进行任何测量，从而结束了300多年精密测量光速的历史。 　　狭义相对论曾提出两个著名的原理──相对性原理和光速不变原理。后者是指光在不同惯性系中速度相同。新的米定义已把光速值固定为一个定义值，这与光速不变原理当然是相适应的。目前复现米定义的准确度还处于10-10～10-11量级。如果科学家们要在更高的精度下去检验光速是否恒定的规律，进行光速恒定性实验仍然将是具有重要意义的。 斐索，A．H．L 法国实验物理学家。1819年 9月23日生于巴黎。早年在法国斯塔尼斯拉学院攻读医学，后转入法兰西学院学习光学。1860年被选为法国科学院院士、1878年任物理学科的副主席，同年被选入经度局，1856年获得特里埃尼亚尔奖。1866年英国皇家学会授予他朗福德勋章、1875年被选任为英国皇家学会的国外会员。1896年 9月18日在楠特伊勒欧杜安逝世。 　　1849年9月斐索利用旋转齿轮机构，在实验室中测定了光速，其数值约为3.15×108m/s，这是第一次在地球上测得比较正确的光速数值。1850年 5月他又利用这一实验方法，测定了光在水中的速度，并证实了光在水中的速度小于光在空气中的速度，这成了光的微粒说与波动说之间决定争论胜负的判决性实验，在历史上对光的波动本性的确立曾起过很大的作用。1851年斐索测量了运动媒质中的光速，证实光要部分被运动媒质曳引，肯定了菲涅耳的部分曳引公式（1-1/n2，n为媒质的相对折射率）。 　　斐索和傅科合作开创了天文照相术，用溴替代达盖尔照相术中的碘，从而改善了达盖尔照相术。在1845年他们第一次摄得清晰的太阳表面像。用分光仪观察了天体光谱，又使用起偏振器从而独立地发现光波的多普勒效应。根据这一效应可用来测定天体的视向速度，因此又称为多普勒－斐索效应。J．C．多普勒对此虽有预言，但他还不知道光是横波、又缺乏设备，以致未得到令人信服的结果。 　　在1845～1849年间，斐索和傅科用干涉仪发现太阳光红外一端的不可见辐射和可见光服从同一规律，并曾测定过星体的运动速度和星体的直径。 傅科，J．B．L． 法国实验物理学家。1819年9月19日生于巴黎。早年学医，后转入实验物理学的研究。 　　1850年傅科采用旋转镜法，比较光在空气中和水中的速度，测定了光速。他几乎和菲索同时宣布他的实验结果：在空气中的光速比在水中的大，但未宣布其数值。1853年即以测量光在空气和水中的速度比较的论文获得物理学博士学位。1862年傅科改进了实验仪器设备，才进一步准确地测定空气中的光速为 289000±500km/s。 　　1851年， 傅科曾在巴黎成功地进行了傅科摆的实验（见彩图），直接验证了地球自转，因此被授予荣誉骑士五级勋章。 　　傅科其他方面的贡献主要是：1845～1847年和斐索合作改善达盖尔照相术，并用于天文摄影;1847年把惠更斯的锥摆钟的设想付之实现，用被称为傅科钟的装置测地球的转动；1848年从分析日光通过含钠盐碳弧焰所得的光谱中，观察到在弧焰的两条黄线（即钠光D线）处出现两条黑线，他认为弧焰能吸收它发出的光（这个事实直到1859年由基尔霍夫的辐射理论才得到解释）；1855年发现了放在强磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流，后被称为傅科电流；同年设计了光度计;1857年创制了偏振仪器，被称为傅科棱镜;1858年设计了反射式望远镜的椭球面镜；1860年创制了定日镜的跟踪装置。 　　傅科于1855年曾获得英国皇家学会的科普利奖章，1864年被选为会员。1862年被授予法国荣誉骑士二级勋章并受聘为经度局的成员。1865年被选为法国科学院院士。此外，傅科还是柏林科学院和圣彼得堡科学院院士。1868年2月11日在巴黎逝世。 迈克耳孙，A．A． 美国物理学家。1852年12月19日生于普鲁士斯特雷诺(今波兰斯特尔诺)，两岁时全家移居美国。他在1869年入安那波利斯国立海军学院学习，1873年毕业后留校任基础课讲师。1879年转到华盛顿的航海年历局工作。1880年去欧洲进修，先后在柏林、海德堡、巴黎等地受教于亥姆霍兹等名家。1882年回国，受聘为克利夫兰的开斯应用科学学院物理学教授，1889年任伍斯特的克拉克大学物理学教授，1892年起担任新建的芝加哥大学第一任物理系主任，直到1929年退休。1907年获得了诺贝尔物理学奖。1923～1927年还担任美国科学院院长。1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。 迈克耳孙以毕生精力从事光速的精密测量。1879年他用自己改进了的傅科方法，利用凹面镜和透镜把光路廷长到600m，旋转镜使返回光位移133mm，获得光速值为299910±50km／s。 访欧归来后，他又把测量精度提高，获得的数值为 299853±30km／s。这都是当时最新纪录。后来到1923年他又重新专心致志地从事光速测量，在加利福尼亚的两个相距约35公里的山头之间，测得的数值为 299798±4km/s。在他有生之年，他一直是光速测定的国际中心人物，直到逝世前还念念不忘这项工作。 　　1879年3月，麦克斯韦写信给美国航海年历局的D．P．托德讨论测定地球相对于以太的速度问题。信中提到，地球上所有测定光速的方法，由于精度所限，都不足以检验地球的绝对运动。这封信被迈克耳孙看到，激起了他从事这类实验的热情。为了提高测量精度，在柏林期间，他设计了一种干涉仪（这就是今天最常用的迈克耳孙干涉仪，（见彩图）来测定地球相对于以太的运动。