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光速的测定


光速的测定 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的反站,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。


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