光速是如何測定的?有什麼科學依據?

2021-01-18 圍星

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光速是指光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度。真空中的光速是目前所發現的自然界物體運動的最大速度。眾所周知在真空中光的傳播是的30萬千米/秒。那麼這麼快的速度是怎麼測量出來的呢？

光速的測定，經歷了多個階段，光速的測定值也越來越精確，以下做分別說明。

伽利略舉燈間隔法

伽利略舉燈間隔法

伽利略的方法是，讓兩個人分別站在相距1.6km的兩座山上，每個人拿一個遮蔽著的燈。第一個人先舉起燈，同時記下時間。當第二個人看到第一個人的燈時立即舉起自己的燈，也記下時間。從第一個人舉起燈到他看到第二個人的燈的時間間隔就是光傳播1.6km裡的時間。為了減小誤差，伽利略反反覆覆舉燈，但當時的他不知道光的傳播速度實在是太快了，這種方法根本行不通。但伽利略的實驗揭開了人類歷史上對光速進行研究的序幕。

衛星蝕法

衛星蝕法

1676年丹麥天文學家羅默通過衛星蝕法測量了光速。

由於任何周期性的變化過程都可當作時鐘，他成功地找到了離觀察者非常遙遠而相當準確的「時鐘」，羅默在觀察時所用的是木星每隔一定周期所出現的一次衛星蝕。

他在觀察時注意到：連續兩次衛星蝕相隔的時間，當地球背離木星運動時，要比地球迎向木星運動時要長一些，他用光的傳播速度是有限的來解釋這個現象，光從木星發出（實際上是木星的衛星發出），當地球離開木星運動時，光必須追上地球，因而從地面上觀察木星的兩次衛星蝕相隔的時間，要比實際相隔的時間長一些；當地球迎向木星運動時，這個時間就短一些，因為衛星繞木星的周期不大（約為1.75天），所以上述時間差數，在最合適的時間不致超過15秒（地球的公轉軌道速度約為30千米/秒）。因此，為了取得可靠的結果，當時的觀察曾在整年中連續地進行，羅默通過觀察從衛星蝕的時間變化和地球軌道直徑求出了光速，由於當時只知道地球軌道半徑的近似值，故求出的光速只有214300km/s。

這個光速值儘管離光速的準確值相差甚遠，但它卻是測定光速歷史上的第一個記錄，後來人們用照相方法測量木星衛星蝕的時間，並在地球軌道半徑測量準確度提高後，用羅默法求得的光速為299840±60km/s。

菲索旋轉齒輪法

菲索旋轉齒輪法

1849年，法國人菲索第一次在地面上設計實驗裝置來測定光速。他將一個點光源放在透鏡的焦點處，在透鏡與光源之間放一個齒輪，在透鏡的另一測較遠處依次放置另一個透鏡和一個平面鏡，平面鏡位於第二個透鏡的焦點處。點光源發出的光經過齒輪和透鏡後變成平行光，平行光經過第二個透鏡後又在平面鏡上聚於一點，在平面鏡上反射後按原路返回。由於齒輪有齒隙和齒，當光通過齒隙時觀察者就可以看到返回的光，當光恰好遇到齒時就會被遮住。從開始到返回的光第一次消失的時間就是光往返一次所用的時間，根據齒輪的轉速，這個時間不難求出。通過這種方法，菲索測得的光速是315000千米/秒。由於齒輪有一定的寬度，用這種方法很難精確的測出光速。

空腔共振法

光波是電磁波譜中的一小部分，當代人們對電磁波譜中的每一種電磁波都進行了精密的測量。1950年，艾森提出了用空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是，微波通過空腔時當它的頻率為某一值時發生共振。根據空腔的長度可以求出共振腔的波長，在把共振腔的波長換算成光在真空中的波長，由波長和頻率可計算出光速。當代計算出的最精確的光速都是通過波長和頻率求得的。1958年，弗魯姆求出光速的精確值：299792.5±0.1千米/秒。1972年，埃文森測得了目前真空中光速的最佳數值：299792457.4±0.1米/秒。

雷射測速法

1970年美國國家標準局和美國國立物理實驗室最先運用雷射測定光速，這個方法的原理是同時測定雷射的波長和頻率來確定光速（c=vλ），由於雷射的頻率和波長的測量精確度已大大提高，比以前已有最精密的實驗方法提高精度約100倍。

除了以上介紹的幾種測量光速的方法外，還有許多十分精確的測定光速的方法。

根據1975年第十五屆國際計量大會的決議，現代真空中光速的準確值是：c=299792.458km/s。




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