光速是如何被測(cè)量的原理

技術(shù)資料 2024-01-21 16:49

光速也是光的重要參數(shù)，對(duì)它的測(cè)定在光學(xué)的發(fā)展史上具有非常特殊而重要的意義，不僅推動(dòng)了光學(xué)實(shí)驗(yàn)深入發(fā)展，也打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念。在物理學(xué)理論研究的發(fā)展里程中，光速的測(cè)定又為粒子說和波動(dòng)說的爭(zhēng)論提供了判定依據(jù)，而且最終推動(dòng)了愛因斯坦相對(duì)論理論的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。

光速是如何被測(cè)量的

測(cè)量光速的序幕

在光速的問題上物理學(xué)界曾經(jīng)產(chǎn)生過爭(zhēng)執(zhí)，開普勒和笛卡爾都認(rèn)為光的傳播不需要時(shí)間，是在瞬時(shí)進(jìn)行的。伽利略認(rèn)為光的傳播速度雖然異?？?，但可以測(cè)定的。1607年，伽利略進(jìn)行了最早的測(cè)量光速實(shí)驗(yàn)。伽利略的測(cè)量方法是，讓兩個(gè)人分別站在相距1.6093km的兩座山頂上，每個(gè)人拿一盞燈，第一個(gè)人先舉起燈，當(dāng)?shù)诙€(gè)人看到第一個(gè)人的燈時(shí)立即舉起自己的燈，從第一個(gè)人舉起燈到他看到第二個(gè)人的燈的時(shí)間間隔就是光在兩地傳播的時(shí)間，再根據(jù)兩地的距離便可以得到光的傳播速度。不過，由于光傳播的速度實(shí)在是太快，加之觀察者還要有一定的反應(yīng)時(shí)間，所以伽利略的嘗試沒有成功，但伽利略的實(shí)驗(yàn)卻是揭開了人類歷史上對(duì)光傳播速度進(jìn)行測(cè)量研究的序幕。

天文測(cè)量法

1676年，丹麥天文學(xué)家羅默第一次提出了比較有效的光速測(cè)量方法。任何周期性的變化過程都可當(dāng)做“時(shí)鐘”，他成功地找到了離地球非常遙遠(yuǎn)的木星這只時(shí)鐘:木星每隔一定周期所出現(xiàn)的一次衛(wèi)星蝕。他在觀察時(shí)注意到連續(xù)兩次衛(wèi)星蝕相隔的時(shí)間，當(dāng)?shù)厍虮畴x木星運(yùn)動(dòng)時(shí)，比地球迎向木星運(yùn)動(dòng)時(shí)要長(zhǎng)一些，時(shí)間差大約15s。羅默通過觀察從木星的衛(wèi)星蝕時(shí)間變化和地球軌道直徑求出了光速:每秒214300km。這個(gè)數(shù)值離光速的準(zhǔn)確值相差很大，但這并非測(cè)量方法不對(duì)，主要是當(dāng)時(shí)知道的地球軌道半徑只是近似值，同時(shí)測(cè)量衛(wèi)星蝕周期不夠準(zhǔn)確。后來科學(xué)家用照相方法測(cè)量木星衛(wèi)星蝕的時(shí)間，并在地球軌道半徑測(cè)量準(zhǔn)確度提高后，用羅默法求得光的傳播速度是每秒299840士60km，很接近于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室所測(cè)定的精確數(shù)值。

通過觀察木星掩食木衛(wèi)一的時(shí)間來判斷光速

1728年，英國(guó)天文學(xué)家布萊德雷采用恒星的光行差法測(cè)量出光的傳播速度。布萊德雷在地球上觀察恒星時(shí)，發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化，在一年之內(nèi)，所有恒星似乎都在天頂上繞著半長(zhǎng)軸相等的橢圓運(yùn)行了一周。他認(rèn)為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時(shí)需要一定的時(shí)間，而在此時(shí)間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置變化，他由此測(cè)得光速為每秒299930km。

齒輪測(cè)量法

1849年，法國(guó)科學(xué)家菲索第一次利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定光傳播速度，他的測(cè)量原理與伽利略的相類似。他將一個(gè)點(diǎn)光源放在透鏡的焦點(diǎn)處，在透鏡與光源之間放一個(gè)齒輪，在透鏡的另一側(cè)較遠(yuǎn)處依次放置另一個(gè)透鏡和一個(gè)平面鏡，平面鏡位于第二個(gè)透鏡的焦點(diǎn)處。點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過齒輪和透鏡后變成平行光，平行光經(jīng)過第二個(gè)透鏡后又在平面鏡上聚于一點(diǎn)，在平面鏡上反射后按原路返回。由于齒輪有齒隙和齒，當(dāng)光通過齒隙時(shí)觀察者就可以看到返回的光，當(dāng)光恰好遇到齒時(shí)便會(huì)被遮住。從開始到返回的光第一次消失的時(shí)間就是光往返一次所用的時(shí)間，根據(jù)齒輪的轉(zhuǎn)速，這個(gè)時(shí)間是不難求出。通過這種方法，菲索測(cè)得的光速是每秒315000km。由于齒輪有一定的寬度，所以用這種方法很難精確地測(cè)出光傳播速度。

斐索-傅科儀示意圖

1850年，法國(guó)物理學(xué)家傅科改進(jìn)了菲索的方法，他只用一個(gè)透鏡、一面旋轉(zhuǎn)的平面鏡和一個(gè)凹面鏡。平行光通過旋轉(zhuǎn)的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上，同樣用平面鏡的轉(zhuǎn)速可以求出光束往返時(shí)間，用這種方法測(cè)出的光速是每秒298000km。

微波測(cè)量法

光波是電磁波譜中的一小部分，科學(xué)家對(duì)電磁波譜中的每一種電磁波參數(shù)都進(jìn)行了精密的測(cè)量。1950年，艾森提出了用空腔共振法來測(cè)量光速。測(cè)量原理是:微波通過空腔時(shí)，當(dāng)它的頻率為某一值時(shí)將發(fā)生共振，共振波長(zhǎng)λ與共振腔的圓周長(zhǎng)R的關(guān)系為：

R=2.404825λ

再根據(jù)波長(zhǎng)與頻率的乘積便得到光速。通過準(zhǔn)確測(cè)量共振腔的直徑可以確定準(zhǔn)確的共振波長(zhǎng)，而腔的直徑用干涉法可以準(zhǔn)確測(cè)量出來，電磁波頻率可以用逐級(jí)差頻法精確測(cè)定。艾森用他提出的辦法得到的光速為每秒299792.5士1km，測(cè)量精度達(dá)10?7。

激光測(cè)量法

1972年，位于美國(guó)科羅拉多州波德的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所利用激光干涉法測(cè)定光速，得出c=299792456.2±1.1m/s，得到測(cè)量精度可達(dá)10?9，其精度比之前的測(cè)量高100倍。由于類似的實(shí)驗(yàn)也得出相近的光速值，所以1983年的第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)建議把299792458m/s作為光速的數(shù)值。