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后来的实验确实证明了他的猜测

时间:2018-10-16 10:35

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  想必大家在日常生活中都有这样的经验,在雷雨天气,我们总是先看到闪电的光,然后过了好久才听到轰隆隆的雷声。这其中的原因也不难理解,那就是因为光的速度比声音的速度快多了。
 
  空气中声音的速度大概是340m/s,一马赫的速度,就是指的是声音在空气中的速度。对于光,它的速度似乎是无限的,在日常生活中,光似乎能瞬间从一个地点到另一个地点,例如我们打开手电筒,几乎就在同时我们就看到了手电筒发出的光传播的很远。其实光的速度也是有限的,只不过非常大。
 
  光在空气中的速度约为3*10^8 m/s。这个速度有多快呢?光在一秒钟内前进的距离大约就可以绕地球赤道7圈半,也就是说,几乎一眨眼的时间光就可以毫不费力的环游世界。从地球到月球的距离约为38万公里,光打个来回也仅仅需要两秒多(事实上,地球和月球之间的准确距离就是计算激光来回所花费时间得到的)。而人类在1969年第一次登上月球,花费了三天多的时间才到达月球,由此可见光速有多快。光速是目前人类已知速度的上限,没有什么东西能运动的比光速还快。既然光速这么快,那科学家们是如何知道光速的准确数值的呢?
 
  人类历史上首次测量光速是在1676年。当时丹麦天文学家奥勒·罗默通过研究木星的卫星木卫一发现光速是有限的,并不是无限的,并由此估计出了光速的值。他估算的过程如下图所示:
 
  其中的大环是地球绕太阳的轨道,小环是木卫一绕木星的轨道。当地球远离木星(从L到K)和接近木星(从F到G)时,木卫一从木星的阴影里(C到D)出来的时间会产生变化,从这个变化可以就知道光速是有限的,再加上木卫一绕木星的公转周期和地球的公转周期以及公转速度,就可以估算出光速了。从这中方法估计出的光速误差很大,约为2.2x10^8m/s, 比实际值小26%。
 
  在1728年,英国天文学家詹姆斯·布拉德利进一步提高了光速的准确度。他所使用的是恒星的光行差。光行差如下图所示
 
  光行差,简单的来说就是地球的运动,会使恒星的方位产生变化。举例来说就是,假设在无风的天气里下雨,雨滴会垂直下落到你的身上,当你以一定的速度奔跑是,雨滴就会以另外一个角度落到你身上,不再垂直。结合这个角度的改变和你的速度,就可以估计出雨滴下落的速度。同样使用恒星光行差,结合地球的公转速度和恒星角度的变化,就可以估算出光速。使用这种方法估算出的光速约为3.01*10^8 m/s,误差仅仅为0.4%。
 
  提升光速测量精度
 
  首次准确在地球上,而不是依靠天体运动来测量光速的实验是在1849年由法国物理学家阿曼德·斐索实行的,他使用的方法叫做齿轮测速法。
 
  这个方法的关键在于齿轮的转速,齿轮从很低的转速开始逐渐提速,在转速提升到某一关键速度的时候,齿轮转过两个齿的角度时,光线刚好从远处的镜子里折回。这样根据两齿之间的角度以及齿轮的转速,镜子的距离就可以计算出光速的大小。假设齿轮的转速刚好是,齿轮一共有N个齿,远处的镜子距离观察者L。那么光速。
 
  齿轮一共有N个齿,远处的镜子距离观察者L。
 
  1849年阿曼德·斐索用这种装置测出的光速是3.15*10^8m/s,误差为5%,但是随后,法国科学家莱昂·傅科(就是用傅科摆演示地球自转的那个科学家),提高了这个装置的精确度,用旋转镜面代替了旋转的之轮,测出了2.98*10^8m/s的光速值,误差缩小到了0.5%。 旋转齿轮法和旋转镜面法对于光速的准确测量产生了很深远的影响,这种方法简单易行,结果很有说服力。直到1926年,这种方法都一直被当做测量光速的首选,精度一直提高到了0.001%左右。
 
  齿轮测速法较为精确并且可信地测出了光速的值。之后不久(1861-1862年)就出现了伟大的麦克斯韦(1831-1879,苏格兰物理学家),给出了麦克斯韦方程组,完美的描述了电磁波的运动,他从方程组中得出电磁波的速度约为
 
  非常接近当时光速的值,于是他大胆的猜测光就是一种特殊频率的电磁波。后来的实验确实证明了他的猜测。
 
  史上最伟大的物理学家之一—詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(图片来自:维基百科)史上最伟大的物理学家之一—詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(图片来自:维基百科)
 
  当知道光是电磁波之后,我们就可以从另外一种方式得到准确的光速,那就是通过测量(真空磁导率)和(真空介电常数)来计算光速,也就是上面提到的
 
  在1907年,美国科学家爱德华(Edward Bennett Rosa)和多尔西(N.E。 Dorsey)通过这种方法给出了当时最精确的光速值2.99788*10^8m/s,误差仅仅为0.003%。。
 
  20世纪50年代以后,随着电子工业技术的发展, 各种测量光速的新技术相继出现,例如谐振腔法(1950年),无线电干涉法(1958年),激光干涉法(1972年)等。下面我们一一介绍。
 
  谐振腔法主要依据的物理原理就是光也是电磁波,因为任意波长的电磁波具有相同的速度,而电磁波的速度和它的波长和频率之间存在如下的关系: 速度=波长*频率。谐振腔法通过腔的尺寸可以很准确计算出里面电磁波的波长,而电磁波的频率又是已知的,因此,可以直接用上述公式计算出光的速度(或者说电磁波的速度)。
 
  最后一种要说的就是激光干涉法了。目前各种资料查到的光速的值 299792458m/s,是通过激光干涉法测量出来的。无线电干涉和激光干涉本质上是一样的,因为它们都使用的是电磁波,只是波长不相同而已。因此我们只介绍激光干涉法。
 
  想象一下水波,如下图所示,当两个水波相遇时,会产生干涉。当波峰和波峰(或波谷和波谷)相遇时,产生相加干涉,当波峰和波谷相遇时,会产生相消干涉。同样的道理对于光或者激光也是成立的。
 
  激光是一种高度相干的光,因此很适合用于进行干涉。从激光器发出的光的频率是已知的,精度可以达到10^-9赫兹 左右,波长的测量是通过法布里-珀罗干涉仪测量并和基准波长86-氪605nm的光谱线进行比较得到的,精度也可以达到10^-9m左右。由于激光干涉对于波长的要求非常的高,产生的干涉条纹和激光的波长密切相关,因此通过干涉条纹可以十分准确的计算出激光的波长。有了激光的频率和波长,就可以计算出光速了:光速=频率*波长。
 
  1972年通过激光干涉法测出的光速值是299792.4562±0.0011m/s, 这时当时能达到的最高的精度了,因为当时米的定义是通过86-氪605nm的光谱线给出的,它的精度限制了光速精度的进一步提高。
 
  不久后的1983年,国际计量大会直接规定光速的值为299792458m/s, 并且反过来用光速重新定义了米。也就是说现在的光速值是给定的,不会再改变了,精度也不会再继续提高了,因为它已经成了“米”这个基本单位的基准。所谓的基准,就是指“米”这个单位的最高精度是由光速的值给出的,因为光速值具有很好的稳定性和重复性。
 
  从光速测量的历史可以看出,科学的进步并不是一蹴而就的,有时候需要好几代科学家的不懈努力才能实现。光速测量精度的不断提高,到现在成了一个确定的值,这对于物理学的发展来说十分重要。因为光速是物理中一个重要的常数,著名的质能方程 E=mc^2, 狭义相对论中的“尺缩钟慢”效应,广义相对论中的引力波,时空弯曲等等,都和光速密切相关。
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