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speed of light

  真空中电磁波的传播速度。真空中电磁波的传播速度是一个重要的物理量,人们最初通过测量可见光的传播速度得到它的数值,因此称为光速。

  目前,国际公认的真空中光速c 的数值为

с=299792458米/秒。

  17世纪前,天文学家和物理学家以为光速为无限大,宇宙中恒星的光都是瞬时到达地球的。意大利物理学家伽利略首先对上述论点提出怀疑,为了证明光速的有限性,他在1600年左右曾做过粗糙的实验,但未获得成功。

  1676年,丹麦天文学家O.C.罗默利用观测木星第一个卫星的星食到达时间的变化,首次测量了光速。因为木星和地球的轨道运动周期不同,木星和地球两者之间的距离在不断变化,最大距离与最小距离之差等于地球轨道的直径。罗默发现星食变化周期为13个月,角度起伏约为20秒。这个周期正是地球从距离木星的一个最近位置运行到下一个最近位置的时间。从上述一个位置出发可以估计六个半月后地球到达与木星最远距离时发生星食的时间。罗默发现,在最远距离时比最近距离处星食发生的时间延迟了22分钟,他认为这是因为光飞行需要有限速度引起的。但这个解释当时并未被人们接受。

  1727年,英国天文学家J.布拉得雷观测到光行差现象,即星的表观位置在地球轨道速度方向上的位移。根据光行差角α=v/c(v是地球轨道速度),可以估算光速值,这项独立观测使科学家确认了罗默当年所观测的木星卫星食的延迟就是光速有限的有力论据。

  1849年,法国物理学家A.H.L.斐索用齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量。他的实验装置如图所示。图中光源S发出的光束在半镀银的镜子G上反射,经透镜L1聚焦到O点,从O点发出的光束再经透镜L2变成平行光束。经过8.67千米后通过透镜L3会聚到镜子M上,再由M返回原光路达G后进入观测者的眼睛。置于O点的齿轮旋转时把光束切割成许多短脉冲,他用的齿轮有720个齿,转速为25转/秒时达到最大光强,这相当于每个光脉冲往返所需时间为1/18000秒,往返距离为17.34千米,由此可得с=312000千米/秒。

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  1926年,美国实验物理学家A.A.迈克耳孙用旋转镜法改进了斐索实验,他用了一个八面体的转镜,测量的光速平均值为299796±4千米/秒。1929年,他又在真空中重复了上述实验,平均值为299774千米/秒。后来,有人用光电开关代替齿轮转动来改进斐索实验,称为克尔盒法。这种方法比旋转镜法的准确度 (10-5量级)又有所提高,达到了10-7量级。

  1952年,英国实验物理学家K.D.弗罗姆用微波干涉仪法测量光速值,得到数值为

c=299792.50±0.10(千米/秒)。

  1957年,国际无线电科学协会(URSI)、国际大地测量学和地球物理学协会(IUGG)分别推荐上述结果作为国际推荐值使用,一直沿用到1973年为止。

  1972年,美国标准局的K.M.埃文森等人采用直接测量激光频率和真空波长值的方法,用两者的乘积得出真空中光速值,即c=fλ。他们建立了从铯频率基准经过一系列激光器直至由甲烷稳定的氦氖激光器的激光频率链,经过逐级倍频和差频的检测,最终测得甲烷谱线 v3带P(7)支200711231100482-01.gif分量的频率值为

     f(CH4)=88376181627±50(千赫),

测量不确定度为±6×10-10;用干涉法测得甲烷谱线的真空波长值为

λ(CH4)=3392231.40×10-15(米),

不确定度为±4×10-9。由此可得

с==299792458±1.2(米/秒)。

  1973年召开的第 5届米定义咨询委员会和1975年召开的第15届国际计量大会先后确认上述光速值作为国际推荐值使用,它的不确定度为±4×10-9,与当时米定义氪-86橙黄谱线复现不确定度相同。

  由于真空中光速值的准确测量以及激光频率稳定和粗密测频技术的发展,促使米的定义发生了根本性的变革。

  1983年10月召开的第17届国际计量大会已经通过了新的米定义为:“米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内行程的长度。”在规定的三种复现方法中均明确指出,真空中光速的数值为c=299792458米/秒。在上述新的米定义中,真空中光速的数值已是一个定义值,通过这个定义值,长度单位米与时间单位秒直接联系在一起,而不再是一个与其他基本单位无关的独立基本单位。由于光速已成为定义值,它的不确定度为零,不需要再进行任何测量,从而结束了300多年精密测量光速的历史。

  狭义相对论曾提出两个著名的原理──相对性原理和光速不变原理。后者是指光在不同惯性系中速度相同。新的米定义已把光速值固定为一个定义值,这与光速不变原理当然是相适应的。目前复现米定义的准确度还处于10-10~10-11量级。如果科学家们要在更高的精度下去检验光速是否恒定的规律,进行光速恒定性实验仍然将是具有重要意义的。

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