光速的測定
光速的測定在光學(xué)的發(fā)展史上具有非常特殊而重要的意義.它不僅推動(dòng)了光學(xué)實(shí)驗(yàn),也打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念；在物理學(xué)理論研究的發(fā)展里程中,它不僅為粒子說和波動(dòng)說的爭論提供了判定的依據(jù),而且最終推動(dòng)了愛因斯坦相對論理論的發(fā)展.
在光速的問題上物理學(xué)界曾經(jīng)產(chǎn)生過爭執(zhí),開普勒和笛卡爾都認(rèn)為光的傳播不需要時(shí)間,是在瞬時(shí)進(jìn)行的.但伽利略認(rèn)為光速雖然傳播得很快,但卻是可以測定的.1607年,伽利略進(jìn)行了最早的測量光速的實(shí)驗(yàn).
伽利略的方法是,讓兩個(gè)人分別站在相距一英里的兩座山上,每個(gè)人拿一個(gè)燈,第一個(gè)人先舉起燈,當(dāng)?shù)诙€(gè)人看到第一個(gè)人的燈時(shí)立即舉起自己的燈,從第一個(gè)人舉起燈到他看到第二個(gè)人的燈的時(shí)間間隔就是光傳播兩英里的時(shí)間.但由于光速傳播的速度實(shí)在是太快了,這種方法根本行不通.但伽利略的實(shí)驗(yàn)揭開了人類歷史上對光速進(jìn)行研究的序幕.
1676年,丹麥天文學(xué)家羅麥第一次提出了有效的光速測量方法.他在觀測木星的衛(wèi)星的隱食周期時(shí)發(fā)現(xiàn)：在一年的不同時(shí)期,它們的周期有所不同；在地球處于太陽和木星之間時(shí)的周期與太陽處于地球和木星之間時(shí)的周期相差十四五天.他認(rèn)為這種現(xiàn)象是由于光具有速度造成的,而且他還推斷出光跨越地球軌道所需要的時(shí)間是22分鐘.1676年9月,羅麥預(yù)言預(yù)計(jì)11月9日上午5點(diǎn)25分45秒發(fā)生的木衛(wèi)食將推遲10分鐘.巴黎天文臺的科學(xué)家們懷著將信將疑的態(tài)度,觀測并最終證實(shí)了羅麥的預(yù)言.
羅麥的理論沒有馬上被法國科學(xué)院接受,但得到了著名科學(xué)家惠更斯的贊同.惠更斯根據(jù)他提出的數(shù)據(jù)和地球的半徑第一次計(jì)算出了光的傳播速度：214000千米/秒.雖然這個(gè)數(shù)值與目前測得的最精確的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn),但他啟發(fā)了惠更斯對波動(dòng)說的研究；更重要的是這個(gè)結(jié)果的錯(cuò)誤不在于方法的錯(cuò)誤,只是源于羅麥對光跨越地球的時(shí)間的錯(cuò)誤推測,現(xiàn)代用羅麥的方法經(jīng)過各種校正后得出的結(jié)果是298000千米/秒,很接近于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室所測定的精確數(shù)值.
1725年,英國天文學(xué)家布萊德雷發(fā)現(xiàn)了恒星的“光行差”現(xiàn)象,以意外的方式證實(shí)了羅麥的理論.剛開始時(shí),他無法解釋這一現(xiàn)象,直到1728年,他在坐船時(shí)受到風(fēng)向與船航向的相對關(guān)系的啟發(fā),認(rèn)識到光的傳播速度與地球公轉(zhuǎn)共同引起了“光行差”的現(xiàn)象.他用地球公轉(zhuǎn)的速度與光速的比例估算出了太陽光到達(dá)地球需要8分13秒.這個(gè)數(shù)值較羅麥法測定的要精確一些.菜德雷測定值證明了羅麥有關(guān)光速有限性的說法.
光速的測定,成了十七世紀(jì)以來所展開的關(guān)于光的本性的爭論的重要依據(jù).但是,由于受當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限,科學(xué)家們只能以天文方法測定光在真空中的傳播速度,還不能解決光受傳播介質(zhì)影響的問題,所以關(guān)于這一問題的爭論始終懸而未決.
十八世紀(jì),科學(xué)界是沉悶的,光學(xué)的發(fā)展幾乎處于停滯的狀態(tài).繼布萊德雷之后,經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的醞釀,到了十九世紀(jì)中期,才出現(xiàn)了新的科學(xué)家和新的方法來測量光速.
1849年,法國人菲索第一次在地面上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置來測定光速.他的方法原理與伽利略的相類似.他將一個(gè)點(diǎn)光源放在透鏡的焦點(diǎn)處,在透鏡與光源之間放一個(gè)齒輪,在透鏡的另一測較遠(yuǎn)處依次放置另一個(gè)透鏡和一個(gè)平面鏡,平面鏡位于第二個(gè)透鏡的焦點(diǎn)處.點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過齒輪和透鏡后變成平行光,平行光經(jīng)過第二個(gè)透鏡后又在平面鏡上聚于一點(diǎn),在平面鏡上反射后按原路返回.由于齒輪有齒隙和齒,當(dāng)光通過齒隙時(shí)觀察者就可以看到返回的光,當(dāng)光恰好遇到齒時(shí)就會(huì)被遮住.從開始到返回的光第一次消失的時(shí)間就是光往返一次所用的時(shí)間,根據(jù)齒輪的轉(zhuǎn)速,這個(gè)時(shí)間不難求出.通過這種方法,菲索測得的光速是315000千米/秒.由于齒輪有一定的寬度,用這種方法很難精確的測出光速.
1850年,法國物理學(xué)家傅科改進(jìn)了菲索的方法,他只用一個(gè)透鏡、一面旋轉(zhuǎn)的平面鏡和一個(gè)凹面鏡.平行光通過旋轉(zhuǎn)的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上,同樣用平面鏡的轉(zhuǎn)速可以求出時(shí)間.傅科用這種方法測出的光速是298000 千米/秒.另外傅科還測出了光在水中的傳播速度,通過與光在空氣中傳播速度的比較,他測出了光由空氣中射入水中的折射率.這個(gè)實(shí)驗(yàn)在微粒說已被波動(dòng)說推翻之后,又一次對微粒說做出了判決,給光的微粒理論帶了最后的沖擊.
1928年,卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測定光速.1951年,貝奇斯傳德用這種方法測出的光速是299793千米/秒.
光波是電磁波譜中的一小部分,當(dāng)代人們對電磁波譜中的每一種電磁波都進(jìn)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(shí)當(dāng)它的頻率為某一值時(shí)發(fā)生共振.根據(jù)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(jì)算出光速.
當(dāng)代計(jì)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(shù)值：299792457.4±0.1米/秒.
光速的測定在光學(xué)的研究歷程中有著重要的意義.雖然從人們設(shè)法測量光速到人們測量出較為精確的光速共經(jīng)歷了三百多年的時(shí)間,但在這期間每一點(diǎn)進(jìn)步都促進(jìn)了幾何光學(xué)和物理光學(xué)的發(fā)展,尤其是在微粒說與波動(dòng)說的爭論中,光速的測定曾給這一場著名的科學(xué)爭辯提供了非常重要的依據(jù).