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光学教学笔记之光的速度 精选

已有 3919 次阅读 2019-9-26 15:48 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦


 

c = 299 792 458 m/s

 

光传播得很快,但是其速度也是有限的。最早认识到这一点的,似乎是伽利略,他尝试过测量光的速度,但是失败了。他的测量方法需要两个人拿着灯、距离很远,因为人的响应太慢了,根本不可能测到光速。用反射镜替代一个人,可以显著消减人的影响,但是还需要其他改进。

对光速的认识可以分为两个阶段。起初认为光速很快,但也就是很快而已,跟声音的速度、子弹的速度等相比,并没有什么本质的差别。后来认识到,光速非常特殊,真空中的光速是一切速度的上限——这就进入了相对论的时代。

光速的测量可以分为三个时期:用天文学方法测量的时期,因为光速太快了,只有在天文学距离上才能看到显著的效应;在地面进行测量的时期,随着测量方法的改进,在地面上、在实验室里,能够测量光速了,而且测量精度越来越高;最后是不再测量光速的时期,光速太重要了,我们决定不再认为它是一个测量值,而是直接定义了它的数值,这真是一劳永逸啊。

 

1676年,丹麦天文学家罗默(Ole Christensen Rømer)根据木星卫星的星蚀时间变化,第一次得到了光的速度,大约是20万千米每秒。其方法大致是这样的:木星的卫星绕木星公转的周期是固定不变的,所以它被木星的阴影遮挡(星蚀)的时刻是确定的,但是观测者的位置(也就是地球)是随时间变化的(地球和木星都绕着太阳公转),所以观测者看到的星蚀发生时间就是不同的。根据这个差别,就可以得到光的速度。木星的四大卫星(伽利略首先看到的那四个),其公转周期从一天多点到十几天不等,现代人在自己家里,用个简易的天文望远镜,应该就可以测到的。

1727年,英国天文学家布拉得雷(James Bradley)利用恒星光行差现象,估算出光速值为c=303000千米/秒。其方法大致是这样的:远处星体发来的光有个速度(光速),观测者有个速度(地球的公转速度,大约是30千米每秒),这两个速度都是矢量,叠加起来的速度就不再是光本身传播的方向,这就是光行差,这个差别是随时间变化的,因为地球在不停地绕着太阳公转,其速度的方向也就随时改变。一年下来,你看到的星星的位置就会在天空上画出一个圆,根据这个圆的大小,再利用地球的公转速度,就可以得到光速了。光行差的大小大约是$10^{-4}$(具体值依赖于星星在天球上的纬度),是个挺大的值——要知道,即使对于离太阳最近的恒星,地球公转轨道的张角也只有大约2角秒,也就是大约$10^{-5}$。所以它应该是比较容易测量的,但是知易行难,我并不知道真的应该怎么做。

 

最早测定光速的实验方法是旋转齿轮法,即1849年的斐索实验。其方法大致如下:高速旋转的齿轮可以让光通过,也可能挡住光,这取决于齿轮的齿数和转速,以及光射向远处的反射镜再返回所需要的时间。只要这些参数搭配合适,就可以把反射光全部挡住,观测时人眼的视觉暂留效应也不会有影响。傅科的旋转镜法和迈克尔逊的旋转棱镜法也都采用了类似的思想,但是设计得更巧妙,测量的精度也就更高了。

麦克斯韦总结了奥斯特、安培和法拉第等人发现的电磁实验现象,提出了电磁理论的麦克斯韦方程组,并由此得到了电磁波的波动方程,进而由真空介电常数和真空磁导率得到电磁波的速度,发现它与光速接近,就预言了光也是电磁波。这样也就有了一种新的光速测量方法。赫兹用实验证明了他的预言。

微波的波长长、频率低,可以根据$c=\lambda f$(光速等于波长乘以频率)来测量光速。1950年,埃森最先采用这种方法来确定光速:利用谐振腔来确定微波波长,利用逐级差频法来确定频率。

然后,激光出现了,可以大大提高频率和波长的测量精确度,革命性地改变了光速的测量。

1975年,第十五届国际计量大会做出了决议:真空中光速的准确值是c=299792458m/s

 

 

附记:

利用美国登月时留在月球表面的角锥反射镜,再利用脉冲激光、天文望远镜以及现代化的电子信号处理系统,可以让月地距离的测量精度从千米提高到厘米。

光学教学笔记之规行矩步

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百度百科:光速

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