科学家们怎样测定光速

科学家们怎样测定光速

布莱德雷的光行差法：1728年，英国天文学家布莱德雷在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周。他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化。他由此测得光速为299930千米每秒。这一数值与实际值比较接近。光速测定的实验室方法：光速测定的天文学方法和大地测量方法，都是采用测定光信号的传播距离和传播时间来确定光速的。傅迈克耳逊当时是在相距35373米的两个山峰上完成的。现代

怎样测量光速？科学家是怎样做得？

“光传播需不需要时间”，这一直是物理学家颇感兴趣的问题。最早尝试测定光速的人是伽利略。他提出了一种类似测声速的方法来测光速。由两个试验者各提一盏信号灯，同时开始计时：而第二个人在看到第一个人发来的光信号时也立即开自己的灯，当第一个人看到第二个人发回的光信号时立即停止计时，若测出光信号往返所经过的时间，再除两地的距离，就得到光速了。在一个漆黑的夜晚，伽利略与他的助手来到佛罗伦萨郊外，在相距数公里的两个山头上做实验，结果却失败了。
伽利略测量光速的方法，从原理上讲是正确的。但实际测试却未获成功。为什么呢？其原因是光传播的速度太快了，光信号在这样两个山头之间传播一个来回的时间不到万分之一秒，靠当时简陋的计时仪器根本无法测出，即使如此，也并非一无所获，至少使人们认识到，光速实在太快，要测光速必须是在极短的时间间隔中。
第一个成功地进行光速测量的是凡麦天文学家罗默。他在观察木星时发现，每隔一定周期会出现一次卫星蚀，而卫星蚀的时间间隔却有长有短。所谓卫星蚀就像月亮有月蚀一样，就是木星的卫星绕木星公转时，当木星牌卫星和太阳中间时，也会发生木星的卫星蚀，木卫星绕木星公转一周要消失在木星的影内一次，二次消失所经历的时间卫星公周期，罗默发现，木星卫星公转周期不是恒定不变的，当地球背离木星运行时，周期略长；反之，地球接近木星运行时周期略短。地球并不能影响木星卫星的运动，从地球上观察木星卫星公转周期之所以有变化，是因为当地球背离木星运行时，从木星卫星发出的光要多走一段，即如图中的S，这段附加路程需要附加时间，因此光不是瞬时传播的，而需要时间。罗默对木星卫星蚀周期进行了长期观察，求得光速为2.15*10 8米/秒，即每秒21.5万公里（千米）。虽然这个数值并不精确，但能得出光速有限的结论仍不愧是一重大的贡献。
后来，不仅有天文法测光速，还出现了在地球上测量光速，测量的精度逐步提高。直到现在，不少科学发达的国家都集中了一批优秀的科学家致力于提高光速测量的精度。

科学家们是怎样测出光速的？

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。
参考资料：http://219.239.238.42/lb5000/topic.cgi?forum=11&topic=3887

声明： 我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本站部分文字与图片资源来自于网络，转载是出于传递更多信息之目的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们(管理员邮箱：daokedao3713@qq.com)，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!