光速是如何测量的
在17世纪以前,人们都以为光的传播不需要时间,因为无论距离多远,只要一发光就立刻可以看到它.但是科学实验的始祖伽利略认为,光的传播和声音一样,要花费时间.1607年,他曾经尝试用实验来测定光速,这在科学史上是第一次.
夜间,伽利略和他的助手面对面地站在两个相距1公里的山头A和B上,各带一只校得同样准确的钟,伽利略的手里还提着一盏遮了罩子的提灯.
实验开始的时候,伽利略打开灯罩,记下发光的时刻；助手根据他自己的钟记下看到光的时刻.从两个时刻的差,就可以得到光通过距离l和所用的时 A传到B所用的时间极短,比两只钟的误差还要小得多.
伽利略对实验做了改进,他让助手拿一块大平面镜站在B山头上,自己提着灯,带着钟站在A山头上.实验开始的时候,他打开灯罩,记下发光时刻,当看到光从平面镜反射回来的时候,再看一下钟,这样就记下了光通过2l距离所用的时间t.从理论上讲,这个实验用了同一只钟,光走过的路程也长了 光速实在太快了.
伽利略虽然初试受挫,但他发明了望远镜,观察了木星和它的几颗主要卫星,还说过,利用木星的卫星时常消失可以用来做黄径的测量,这些工作使一位后来的科学家受到了启发,并用这种方法证明了光速是有限的.此人就是丹麦青年科学家罗默.罗默生于奥尔胡斯,在哥本哈根受过教育,后来移居巴黎.在罗默来巴黎的30年前,意大利天文学家卡西尼应路易十四聘请也来到巴黎,他对木星系进行了长期系统的观察和研究.他告诉人们,木星和地球一样也是围绕着太阳运行的行星,但它绕太阳运行的周期是12年.在它的周围有12颗卫星,其中有4颗卫星特别亮,地球上的人借助于望远镜就可以看清楚它们的位置.由于这些卫星绕木星运行,隔一段时间就会被木星遮食一次,其中最近木星的那颗卫星二次被木星遮食的平均时间间隔为42小时28分16秒.罗默在仔细观察和测量之后发现,这个时间间隔在一年之内的各个时间里并不是完全相同的,并且当木星的视角变小时,这个时间间隔要大于平均值.
1676年9月,罗默向巴黎科学院宣布,原来预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟.巴黎天文台的天文学家们虽然怀疑罗默的神秘预言,但还是作了观测并证实了木卫食的推迟.11月22日罗默在解释这个现象时说,这是因为光穿越地球的轨道需要时间,最长时间可达22分钟.后来惠更斯利用罗默的数据和地球轨道直径的数据,第一次计算出光速为 2×108米/秒.
1681年罗默被克利斯汀五世召回丹麦,担任了丹麦皇家学会天文学家,此后人们就不知道他的工作又有什么新的进展,他留下的观测资料也在1728年哥本哈根城的大火之中烧为灰烬.直到18世纪的时候,他的理论才被一位英国格林尼治天文台的天文学家、牛津大学教授布喇德雷以意料不到的方式所证实.
1928年9月某一天,布喇德雷教授与同事乘船沿泰晤士河航行.教授站在船的甲板上,望着桅杆上不时在改变方向的风标,十分奇怪,难道风向会这样不停地改变吗?一位水手向他解释说,这是船在改变航向,风向并没有变.这个回答启发了教授,他立刻想到,既然船的航行会改变人对风向的观察,那么地球上的人,他看到的光传播方向也会因为地球的运动而有所改变.于是他把这个新的发现结合到自己的研究工作中来,使一个困惑多时的难题迎刃而解了.
原来教授在观测一颗星的视差时,惊奇地发现遥远的星体都以一年为周期在天球上画出一个小椭圆.他一直无法解释这种现象,现在他明白了,这就是“光行差”现象.由遥远的恒星S传向地球的光微粒类似于垂直下落的雨滴,当我们向前奔跑时,觉得雨滴是倾斜地向我们飞来.同样的道理,地面上的望远镜被地球带着向前运动,为了使光微粒能恰好穿过镜筒被观察者看到,就必须让镜筒向前倾斜一个合适的角度α,所以看起来恒星的位置在S’方向.一年内,观察者在地球轨道的不同位置上观察这颗恒星,就可以看到它的位置S’在天球上兜了一个小圈子.
显然,当观察者通过倾斜的镜筒观察到恒星的光时,说明它的倾角的正切 的运行速度就可以求出光速.利用这种方法求得的光速为3.03×108米/秒,比惠更斯算得的值又前进了一步.用天文学方法测定光速虽然取得了成功,但物理学家们并没有因此认为这个光速值已经相当精确了.因为这种方法尽管在原理上无可挑剔,但计算上还得依赖一些天文数据,而这些数据本身就谈不上有很高的精确度.所以到了19世纪,科学家们开始研讨在地面上测定光速的可能性.由于光速极大,因此测量必须用到很长的距离或者很短的时间.对地面观测来说,精确测定很短的时间间隔是问题的关键.地面上构思巧妙的光速测定实验都是围绕这个主题来设计的.在这方面作出开拓性工作的人是法国科学家菲索和傅科.说来也巧,这两位大师都在1819年出生于巴黎,年轻时又不约而同地选修了物理专业,并且还成为初期研究的合作伙伴.菲索出生于豪富的家庭,继承了大笔遗产,他本可以用这大笔钱玩乐享受,但他并没有这样做,而把自己的财产用来作为研究经费.1849年他首先在地面上成功地用“齿轮法”完成了光速测量.菲索让光源发出的光从转动齿轮的间隙中通过,再通过透镜变成平行光束,这光束聚焦于安装在一定距离的平面镜上,被平面镜反射后再沿着相反的方向返回齿轮,进入观察者的眼睛.
当齿轮以某一速度转动时,观察者将看不到返回的光,这是因为光线从齿轮到达平面镜再回到齿轮时,恰好为下一个移来的齿所遮蔽,倘若使轮的转速增加1倍,光点又重新被看到了,因为返回的光恰好穿过下一个齿缝.设轮的 如果光速为C,齿轮与平面镜间的距离为l,那么, 进行的.齿轮的齿数是720个,计算光速为313,300公里/秒.
1850年,法国物理学家傅科设计了一面旋转的镜子,让它用一定的速度转动,使它在光线发出并且从一面静止的镜子反射回来的这段时间里,刚好旋转一圈.这样,能够准确地测得光线来回所用的时间,就可以算出光的速度.经过多次实验,傅科测得的光速平均值等于 2.98×108米/秒.值得一提的是,傅科还在整个装置充入了水,测定了光在水中的速度.他发现光在水中的速度与空气中的速度之比近似等于3/4,正如等于水和空气的折射率之比,水中的光速慢于真空中的光速,与微粒理论的预言相悖.然而具有戏剧性的事实是,此时大多数物理学家早已接受了光的波动说,所以这个实验结果对微粒理论来说只是一个迟到的唁电.
此后不久,还有法国的科尼尔、美国的纽科姆、迈克尔逊都做过出色的测定光速实验,近年来最精确测量表明,光在真空里的速率为每秒299 792 456.2米,估计误差值为每秒 1米或 0.000001％.
光速确实大得惊人,它一秒钟可以绕地球7周半.不过,相对于广袤无垠的宇宙来说,它又显得很慢了.地球和太阳之间的距离是1.5亿公里,太阳发出的光要经过8分20秒才能够照到地球上.从其他恒星发出的光照到地球上所需要的时间就更长了.所以在天文学上常用光年做计量长度的单位,量度星际间的距离.1光年就是光在一年里走过的距离,大约等于 9.46×1015米.织女星距离地球大约 2.6×1017米,所以你看到织女星所发出的光,实际上大约是28年半以前发出的.假如你乘上用光速飞行的飞船,去到用现代射电望远镜所能观察到的空间范围的边缘,将花费100亿年的时间.