光速测量的历史和方法
光速的测量在光学发展史上具有非常特殊和重要的意义。既推动了光学实验的反转,又打破了光速无限大的传统观念。在物理学理论研究的发展过程中,它不仅为判断粒子论和波动论的争论提供了依据,而且促进了爱因斯坦相对论的发展。
关于光速,物理学界一直有争议。开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间,是瞬间的。但伽利略认为,尽管光速很快,但它是可以测量的。1607年,伽利略做了最早的测量光速的实验。
伽利略的方法是让两个人站在相距一英里的两座山上,每人拿一盏灯。第一个人先举灯,第二个人看到第一个人的灯,马上举自己的灯。从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔是两英里。但由于光速如此之快,这种方法根本行不通。但伽利略的实验揭开了人类历史上研究光速的序幕。
1676年,丹麦天文学家罗迈首先提出了测量光速的有效方法。在观察木星卫星的日食周期时,他发现它们在一年的不同时间周期是不同的;地球在太阳和木星之间的周期与太阳在地球和木星之间的周期相差十四或十五天。他认为这种现象是光速造成的,他还推断光穿过地球轨道需要22分钟。1676年9月,罗迈预测10月9日凌晨5: 25: 45发生的欧罗巴食将延迟10分钟。巴黎天文台的科学家以怀疑的态度观察并最终证实了Romai的预测。
罗迈的理论没有立即被法国科学院接受,但得到了著名科学家惠更斯的认可。惠更斯根据他的数据和地球的半径,第一次计算出光速:214000 km/s,虽然这个数值与迄今为止测得的最精确数据相差甚远,但它启发了惠更斯对涨落理论的研究;更重要的是,这个结果的错误不在于方法的错误,而在于罗迈对光穿越地球的时间的错误推测。现代罗迈方法经过各种修正后得到的结果是298,000公里/秒,这与现代实验室测定的准确值非常接近。
1725年,英国天文学家布拉德利发现了恒星的“像差”现象,以一种意想不到的方式证明了罗迈的理论。起初,他无法解释这一现象,直到1728,他在一艘船上,受到风向和船的航向的相对关系的启发,意识到光速传播和地球公转共同造成了“像差”现象。他利用地球公转速度与光速的比值估算出太阳光到达地球需要8分13秒。该值比用Lomax法测定的值更准确。Caidre的测量值证明了Romai关于光速极限的说法。
自十七世纪以来,光速的测量已成为关于光的性质的辩论的重要基础。但由于当时实验环境的限制,科学家们只能用天文方法测量光在真空中的传播速度,却无法解决光受传播介质影响的问题,因此这个问题的争论一直悬而未决。
十八世纪科学界平淡无奇,光学的发展几乎停滞不前。在布拉德利之后,经过一个多世纪的酝酿,直到19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free soul首先在地面上设计了一个测量光速的实验装置。他的方法的原理与伽利略的相似。他在透镜的焦点处放置一个点光源,在透镜和光源之间放一个齿轮,在透镜的另一个距离处依次放置另一个透镜和一个平面镜。平面镜位于第二透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后成为平行光,平行光经过第二透镜后会聚在平面镜上的一点,经平面镜反射后按原路返回。因为齿轮有齿隙和轮齿,当光线通过齿隙时,观察者可以看到返回的光线,当光线刚好碰到轮齿时,就会被阻挡。从开始到返回光第一次消失的时间就是光来回一次所需要的时间。按照档位的速度,这个时候不难发现。这样,自由魂测得的光速为315000km/s,由于齿轮有一定的宽度,用这种方法很难精确测量光速。
1850年,法国物理学家福柯改进了自由灵魂的方法。他只用了一个镜头,一个旋转平面镜,一个凹面镜。平行光通过旋转平面镜会聚到凹面镜的中心,也可以利用平面镜的旋转速度计算时间。福柯用这种方法测得的光速是298000km/s,此外,福柯还测量了光在水中的传播速度。通过比较光在空气中的传播速度,他测量了光从空气中发射到水中的折射率。在粒子理论被波动理论推翻之后,这个实验再次对粒子理论做出了判断,给光的粒子理论带来了最后的冲击。
1928年,卡罗拉斯和米特斯塔德首次提出用克尔盒法测量光速。1951年,柏克德用这种方法测得的光速是299793 km/s。
光波是电磁波谱的一小部分,电磁波谱中的每一种电磁波都被当代人精确测量过。1950年,艾森提出了测量光速的腔共振法。这种方法的原理是微波通过腔体时,当其频率为某一值时发生共振。根据腔的长度,可以计算出谐振腔的波长,然后将谐振腔的波长转换成光在真空中的波长,由波长和频率可以计算出光速。
目前计算的最准确的光速是通过波长和频率得到的。在1958中,弗鲁姆算出了光速的精确值:299792.5 0.1 km/s,在1972中,艾文森测得了目前真空中光速的最佳值:299792457.4 0.1 m/s。
光速的测量在光学研究过程中具有重要意义。虽然从人们尝试测量光速到测量更精确的光速已经过去了300多年,但这期间的每一次进步都推动了几何光学和物理光学的发展,尤其是在粒子论和波动论的争论中。光速的测量为这场著名的科学争论提供了一个非常重要的基础。
测量光速的方法
从历史上看,光速测量方法可分为天文测量方法、大地测量方法和实验室测量方法。
测量光速有两种方法?即直接法和间接法。历史上直接测量光速的实验是?描述鲁迈的木星日食,菲佐齿轮法,福柯和迈克尔逊的转镜法等。间接实验是?布拉德利光学像差法、单位比值法、电磁波法、雷达法、空腔共振法、微波干涉法等。