光速是怎么被测量出来的






  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:299792457.4±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。