光速

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光速(英文名:speedoflight),是一个物理常数,指光或电磁波在真空或者介质中的传播速度。物理上一般记作c,精确值为299792458m/s(常取3.00×10m/s)。目前真空中的光速是自然界物体运动的最大速度。真空中光速也称为自由空间中光速。光速是宇宙中所有的物质运动、信息传播的速度上限,也是无质量粒子及及对应的场波动在真空中运行的速度。 恩培多克勒(前490-前430年)是历史记载中...

光速(英文名:speed of light),是一个物理常数,指光或电磁波在真空或者介质中的传播速度。物理上一般记作c,精确值为299792458 m/s(常取3.00×10m/s) 。目前真空中的光速是自然界物体运动的最大速度。真空中光速也称为自由空间中光速。光速是宇宙中所有的物质运动、信息传播的速度上限,也是无质量粒子及及对应的场波动在真空中运行的速度。

光速

研究历史

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早期历史

恩培多克勒(前490-前430年)是历史记载中第一个宣称光速有限的人。他相信光是一种运动的东西,所以运行需要时间。亚里士多德却认为:“光是因某物存在所致,而不是一种运动的东西”。亚里士多德坚信光不会移动,只存在出现与否的差异,这一观点得到当时许多人的支持。欧几里得和托勒密继续发展了恩培多克勒的“发射理论”,即视觉是眼睛发射光线所产生的。根据这一理论,亚历山大港的希罗推论光速一定是无限的,因为睁开眼睛的那一刹那就可以看到遥远的物体。

早期伊斯兰哲学思想和亚里士多德理论一样相信光速无限,认为光的传播必然是瞬时的,否则当我们睁开眼睛时,又如何能瞬间看到远方的星体。伊斯兰学者阿尔哈曾(Alhazen)著有《光学宝鉴》(Book of Optics),他认为光是从相反方向传播而来,是从被观察物体传播到观测者眼中的。1021年,海什木的著作《光学》阐述了一连串推翻发射理论、支持“进入理论”的论据,也就是主张来自物体的光线进入眼睛,产生视觉。海什木因此提出光必定以有限的速度传播,而且光速是可变的──它在密度高的物质内的速度较慢。他又推论,光是一种物质,传递是需要时间的,尽管我们在感官上无法观察得到。同样在11世纪的阿布·拉伊汗·穆罕默德·本·艾哈迈德·比鲁尼也认为光速有限,而且观察到光速比音速快得多。

13世纪的英国科学家罗吉尔·培根在海什木和亚里士多德著作的基础上论述,光在空气中的速度不是无限的。1270年代,波兰科学家威特罗(Witelo)认为,光有可能在真空中以无限的速度传递,要在具有密度的物体中才会降速。

17世纪初,德国科学家约翰内斯·开普勒相信光速是无限的,因为一无所有的空间里没有任何阻碍光线前进的东西。勒内·笛卡儿则论述,如果光速是有限的,太阳、地球和月球在月食之时就会有明显的错位。由于人们从没有观察到这样的错位现象,所以光速是无限的。他甚至认为,如果发现光速是有限的话,他的整套哲学系统可能会因此崩溃。尽管光速是无限的,笛卡儿在对斯涅尔定律的推导当中仍然假设,材料密度较高,其中的光速就越高。皮埃尔·德·费马则支持光速有限的说法,并且在推导斯涅尔定律时用到与笛卡儿相反的假设:介质密度越高,光线的速度就越低。

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早期的测定

1607年,36岁的伽利略进行了世界上第一个测量光速的实验。他提出通过计量光信号传播时间来计算光速的方法:一人带着时钟和提灯站在一座山丘上,另一人也拿着提灯站在邻近且距离已知的另一山丘上。第一人打开灯时开始计时,第二人看到光后,打开自己的灯,第一人看到第二人的灯光时,停止计时。为了使光传播距离较远,测定误差较小,他让两个人分别站在两座山上。由于伽利略测量光速所用的距离过短,不足以精确测量出光线传播时长,所以实验以失败告终。法国数学家笛卡尔对此实验做了进一步改良,他认为:若光线从太阳或月球传播到地球需要时间,那月食等现象真实发生的时刻就会和人类的预测存在差别。但经过多次观测,仍未发现任何时滞。事实上,伽利略和笛卡尔的思路是正确的,但由于光线传播速度极快,穿过月地距离和日地距离的时间十分短暂,当时的实验器材不足以观测出来。

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罗默利用食的时间差计算光速

1676年,丹麦天文学家奥勒·罗默(OIaus Roemer)第一次提出了有效的光速测量方法并成功运用“木星卫星法”计算出了光速。他在巴黎对木星的一个卫星木卫一的掩星研究观测发现:它的掩星发生时间与预期时间不符。地球靠近木星时,掩星早11分钟;地球距木星较远时,掩星晚11分钟。并且在地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相差十四、五天。他认为这种现象是由于光具有速度造成的,他还推断出光跨越地球轨道所需时间为22分钟。1676年9月,罗默预言预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟。观测最终证实了罗默的预言。结合木星距离,罗默估算出光速约为2.1

10m/s,并于1676年将其成果发布在《学者杂志》(Journaldes Scavans)上。这一结果在当时只有牛顿等几个杰出的学者认同,并得到了科学家惠更斯的赞同,惠更斯根据他观测出的数据与地球半径计算出了光速:2.14

10m/s。

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罗默从地球观测木卫一被木星掩食

1729年,詹姆斯·布拉德雷发现恒星光行差的现象。他以此算出,光速比地球公转速度快10,210倍(实际数值为10,066倍),相等于光从太阳到达地球需时8分钟12秒。布拉德雷测定值证明了罗默的光速有限性的说法。

光的传播介质-以太的猜想

20世纪以前的物理学家曾以为空间充斥着一种称为“以太”的介质,电磁波就在其中传播。一些物理学家把以太视为“绝对静止”的参考系,所以理论上可以通过记录光速的变化来测量地球相对于以太的运动。从1880年代起曾进行了不少旨在探测这种运动的实验,其中最广为人知的要数1887年的迈克耳孙-莫雷实验了。结果显示,相对以太的运动总是比观测不确定性小。更近期的实验指出,双向光速的各向异性(即随观测方向而变化)不大于6纳米每秒。亨德里克·洛伦兹根据这一点,提出仪器在以太中的运动会导致它的自身长度沿着运动方向的收缩,而且移动系统所测量的时间也会随之改变(“局部时间”),这就发展出洛伦兹变换。在洛伦兹以太理论的基础上,昂利·庞加莱于1900年证明,这一局部时间(一阶近似)可以由相对以太移动中的时钟表示,而时钟是在光速不变的假设下同步化的。1904年,他猜测一旦洛伦兹的理论得到证实,光速就有可能是力学上的速度极限。1905年,庞加莱证明洛伦兹以太理论在观测上和相对性原理完全相符。

光速

亨德里克·洛伦兹(右)和阿尔伯特·爱因斯坦(左)合照

狭义相对论

1905年,阿尔伯特·爱因斯坦设想,非加速观测者所测得的光速独立于光源及观测者自身的运动。以此作为公设,他继而建立起整套狭义相对论。理论中,真空中的光速c是一个基础常数,出现的地方也不仅限于光的传播。物理定律不再需要一个绝对静止的参考系,因此这一举动完全淘汰了当时洛伦兹和庞加莱仍然坚持的以太理论,也大大革新了人们对空间和时间的观念。

明确固定光速的数值

1983年的第17届国际计量大会结果发现,通过测量频率并固定某一特定光速值所得出的波长比此前的长度单位定义更具有可重复性。大会保留了1967年的秒定义,使铯的超精细频率成为秒和米两个单位的定义基础。米的定义改为:“1⁄299792458秒内光在真空中所运行的距离。”在这一定义下,光速的准确值就会固定在299792458 m/s,光速也成了国际单位制所定义的常数之一。在重新定义之前,更准确的测量会使光速值变得更为精确;但在1983年以后,对氪-86以及其他光源的更准确测量不会再改变现有的光速值,而是会增加米单位的精确度。

度量衡大会在2011年表示,整个国际单位制中的七个基本单位都会通过所谓的“明确常数制定方法”来重新定义:“每一个单位都会以明确固定某个广泛认可的基础常数来间接地定义”,也就是米的定义与光速之间的关系。在该提议下,米有了本质完全相同但措辞不同的定义:“米,符号m,是长度的单位;定义为光速在SI单位m s−1下的数值固定为299792458后,所设定的值。”这将成为国际单位制的新修订内容之一。

介质影响

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日常生活中可以根据光在不同介质中的折射率来简单计算不同介质中的光传播速度。

计算原理:光的波长

,频率f,与传播速度的关系为:在不同的介质中,光速有不同的数值,介质中的光速cmedium与折射率n有关系为:

。所以,在小范围内使得介质折射率急剧变大,可以使得光在该介质中传播速度骤减,达到光速减慢的效果。

光在玻璃中的速度:2.0×10m/s

光在酒精中的速度:2.2×10m/s

光在水中的速度:2.25×10m/s

光在冰中的速度:2.30×10m/s

物理上不同介质中光速的计算方法:

=v/c,

=

,设v为静止介质中的光速,u是介质的运动速度,v’是所要求得的运动介质中的光速。

光在不同介质中的速度不同,由于光是电磁波,因此光速也就依赖于介质的介电常数和磁导率。在各向同性的静止介质中,光速是一个小于真空光速c的定值。如果介质以一定的速度运动,则一般求光速的方法是先建立一个随动参考系,其中的光速是静止介质中的光速,然后通过参考系变换得到运动介质中的光速;或者可以直接用相对论速度叠加公式去求运动介质中的光速。相对论速度叠加公式:

当u,v都远小于光速c时,式子又简化成经典线性叠加形式v'≈v+u。

相关理论

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光速不变原理

1905年,爱因斯坦在创立狭义相对论的第一篇论文《论运动物体的电动力学》中提出了光速不变公设:“光在空虚空间里总是以确定的速度v传播着,这速度同发射体的运动无关”。爱因斯坦依据迈克尔逊-莫雷实验,提出光速不变性( invariance of light speed,ILS)假设,从而在理论上导出洛伦兹变换,建立狭义相对论(special relativity,SR),揭示了时空和物质运动的相对论性。没有物体的运动速度能够超过光速。光速是极限,不存在比光速更快的速度。狭义相对论( SR) 赋予光速非常特殊的性质,一是 “光速不变”原理,二是“光速不可超过”原则。

1887 年,因麦克斯韦的建议,迈克尔逊和莫雷开展了一项捕捉以太的实验。当时的物理理论认为,光的传播介质是“以太”,由此产生一个问题:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必然迎面受到每秒30公里的“以太”,从而必然对光的传播产生影响。这个问题出现以后,立即引起人们探讨“以太风”存在与否。迈克耳孙-莫雷实验就是在这个基础上进行的。他们在实验中没能发现以太,却发现了一个问题:伽利略速度叠加原理失效了。迈克尔逊-莫雷实验显示,光速与地球轨道速度叠加,仍然是光速。为了解释迈克尔逊-莫雷实验,菲兹杰拉德提出一个假设:运动物体沿运动方向长度收缩,收缩率为

(1-v/c)。在此之后,洛伦兹补充一个假设:运动物体时间膨胀,膨胀率为1/

(1-v/c)。于是,洛伦兹变换诞生了。1905年,爱因斯坦依据迈克尔逊-莫雷实验,提出光速不变原理:光似乎没有速度叠加效应,相对于所有观测者,光速都是相同的,在以光为观测媒介的观测体系中,光速相对于所有观测者都是相同的或不变的。光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的,光速c=

1/

0

0

0是介电常数,

0为真空磁介常数,并为迈克耳逊一莫雷实验所证实。正是基于光速不变性假设,爱因斯坦成功地建立狭义相对论,揭示了时空和物质运动的相对论性现象(relativistic phenomenon)。ILS假设不仅是爱因斯坦SR的基石,也是爱因斯坦广义相对论(general relativity,GR)的前提之一。一百多年来,爱因斯坦的相对论,包括SR和GR,得到几乎所有观测和实验支持。ILS假设有一直接推论:光速乃宇宙终极速度,是任何其他的物质运动所不可超越的。爱因斯坦将光速不变性假设融入了自己的局域性观念:物质运动速度是有限的,光速是速度上限;宇宙不存在超距作用。光速不变原理在被提出时只是一个假设,而不是迈克耳孙‐莫雷实验的结论。

光速不变原理又称真空光速极限原理,包含三项内容:光速与光源运动与否无关;光速与频率大小无关;光速与方向(即接受者的速度)无关。现有光学实验确切验证了以上内容的前两项,第三项光速与方向无关这点始终未被证实。利用此原理创立了狭义、广义相对论及超弦理论。光速极限原理是狭义相对论的预言,已被多个实验证实,是物理学基本原理之一。

光速可变理论

2015年1月,英国 Glasgow 大学的研究团队经两年半努力做成功一项实验,证明光速并非恒定不变,亦即光并不总是以光速传播,即使在真空条件下也是如此。 研究论文从在预印本网站 arXiv出现到在美国《Science Express》上刊登只经过几天时间,而且迅即被各国媒体传播报导。1月22日,D. Giovannini 等的论文发表在《 Science Express》上。同日,英国广播公司(BBC)公布了对学术带头人 M. Padgett 教授的采访。 1 月 27 日,中国新闻网发表一个简短报道,标题是“英国科学家成功降低真空中光速,或将颠覆 Einstein 理论。”

在天文学中,光行差现象早已证明了光速与方向有关。对3K微波辐射及对射电星系的无线电波进行的观测均发现了在地球运动方向有明显的各向异性。2002 年3月14日出版的《Nature》杂志报道了牛津大学的C.BIake和J.Wa用美国国家天文台位于新墨西哥州的甚大阵列射电望远镜(VLA)观测了发出强大电波的遥远射电星系,观测结果:他们发现这些星系发出的电磁波同样在地球运动方向上表现出了各向异性,这种各向异性与上述宇宙背景辐射在地球运动方向上的各向异性是相同的。电磁波(即光波)速度随观测者(地球)速度的不同而发生变化。这些天文学实验确切地证明了光速与方向是有关的,因此光速可变是一个合理的结论。光速可变理论认为光速与接受者密切相关,即观测者的速度将直接影响接受者所测得的光速:与光同向运行的接受者测得的光速要变小。与光逆向运行的接受者测得的光速将要变大。而相对于绝对坐标系而言光速是不变的。

在爱因斯坦提出的广义相对论中,光速会随着引力场的强度而改变。粒子的运动速度比真空中的光速要慢。它会发出一种被称为“契伦科夫辐射”的微弱蓝光。蓝光光速与波长成正比。

质能方程

在相对论中,光速c与空间和时间相关联,在质能等价方程中具有特殊意义。光速与观测者相对于光源的运动速度无关。物体的质量将随着速度的增大而增大,当物体的速度接近光速时,它的动质量将趋于无穷大,所以质量不为0的物体达到光速是不可能的。只有静质量为零的光子,才始终以光速运动着。光速与任何速度叠加,得到的仍然是光速。在特定情况下,物体或波的传播速度可能比光速更快(例如,波的相速度、某些高速天文物体的出现以及特定的量子效应)。下面给出质能方程的简单推导:

牛顿第二定律是:当力F作用于质量为m的物体上时,所产生的动量mv的变化率等于这个力,即F=

(mv),这种形式的牛顿第二定律可应用于质量可变的运动物体。

由爱因斯坦的狭义相对论,以速度v运动的粒子,其质量m为:

m=

(1)

其中c是光速,m0是粒子的静止质量。设M=m-m0是粒子质量的增量,则其能量的相应增量E为粒子所受力F对它所作的功,即E=

Fdx=

(mv)dx=

d(mv)

=

vd(mv) (2)

由 (1)有m=

,从而dm=

由 (2)有E=

vd(mv)=

v(mdv+vdm)=

vmdv+

vdm=

v

dv+

v=m0c

+m0c

=m0c

=

-m0c=mc-m0c=Mc

光速

E=mc²

测定方法

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天文测量法

外太空是测定光速的理想场地,因为它空间大,又处于近乎真空的状态。一般人们会量度光走过太阳系内某个基准距离所需的时间,例如地球轨道半径。过去人们用这种方法测量的光速数值可以较为准确地表达成常用单位,但实际准确度要视乎基准距离的准确度。这样得出的光速通常以天文单位(AU)每天的单位表示。

奥勒·罗默于1676年用天文方法首次对光速进行测定。从地球观测,卫星围绕行星公转的周期在地球向其靠近时会缩短,在地球远离它的时候则会加长。光从彼方到达地球所需的时间,在地球距离该行星(及其卫星)最近时,比两者相距最远时更短,此二距离只差就是地球绕日轨道的直径。光运行时间的差异,就会导致卫星公转周期在观测上的差异。罗默在木星和木卫一系统中观察到这种现象,并依此推断光横跨地球轨道直径需要22分钟的时间。一颗恒星发出的光束落在望远镜的物镜上。光在望远镜内向目镜行进的同时,望远镜向右移动。要使光束沿着望远镜内部行进,望远镜就要向右倾斜,使光源的影像位于实际位置的右边。

另一个方法是测量光行差。詹姆斯·布拉德雷于18世纪发现并描述这一现象。光行差现象是来自遥远光源的光束速度与观测者速度的矢量和所致。对于移动中的观测者来说,光源的位置会偏离其实际位置。由于地球绕日公转的速度是连续变化的,所以光行差会使恒星的视位置来回移动。根据恒星在天球上位置的最大角度差(最多达20.5弧秒),可以推算出光速和地球公转速率之间的关系。利用一年的已知时长,就可以换算出光从太阳抵达地球所需时间。1729年,布拉德雷用光行差算出,光速比地球公转速率快10,210倍(实际为10,066倍)。

光速

通过观察木星掩食木卫一的时间来判断光速

飞行时间法

光束横向穿过半透镜和旋转嵌齿轮,由镜子反射,再穿过嵌齿轮,最后由半透镜反射到单筒镜中。另一种测定光速的方法是在已知距离外放下一面镜子,再量度光到达镜子反射回来的时间。代表方法是旋转棱镜法和旋转齿轮法。

旋转齿轮法

1849年9月,法国人斐索(A.H.Fizeau)用旋转齿轮法测得光速为3.153

10 m/s,成为在地面上用实验方法测定光速的第一人。斐索转动一个以规则的间隔遮挡光的齿轮,间断性的闪光来自安装在一定距离的镜面反射。这个研究是在巴黎市郊相距为8633米的絮伦(Suresnes)和蒙马特里(Montmartre)之间进行的。他的测定结果与1983年确定的光速仅相差5%。斐索之后,还有纽考姆 (Newcomb)、福布斯(Forbes)、珀罗汀(Perotin)等人先后改进了这个实验,所得结果均在 2.99×l0-3.01×10m/s的范围内。1850年,法国实验物理学家傅科在斐索的实验基础上,用旋转镜法测量空气中光速为2.98×10 m/s。他让平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上,用平面镜的转速求出时间。此外,傅科还测出了光在水中的传播速度,通过与光在空气中传播速度的比较,他计算出了光由空气射入水中的折射率。1874年,考尔纽(A.Cornu)改进了斐索的旋转齿轮法,测得更精确的结果:2.999×10m/s。1856年,科尔劳施(R. Kohlrausch)和韦伯(W. Weber)完成了有关光速的测量,麦克斯韦根据他们的数据计算出电磁波在真空中的波速值为3.1074×10千米/秒,此值与斐索的结果十分接近,这对人们确认光是电磁波起很大作用。自1857年到1923年测定光速一般使用电学测量方法。

光速

旋转齿轮法

旋转棱镜法

1928年,美国物理学家阿尔伯特・迈克尔逊为了测定出误差在0.001%以内,精确程度满足最基本的核物理运算的光速值,已经在过去50多年内设计了12次实验。他发明了6台精密装置,最终准确地测定出光速。并因此获得了诺贝尔奖。迈克尔逊用一个能够恒速旋转的引擎驱动八边形棱镜高速旋转,他向棱镜照射光线,在镜子旋转到某点时,光束正好能够反射到屋子后墙上静止的曲面镜上。这面旋转的镜子只用远远少于1秒的时间就能够把光线反射回曲面镜上,然后又继续旋转。曲面镜从棱镜的每面都会收到短光脉冲。每个光脉冲经过聚焦透镜的反射,穿过墙洞,传播到22英里外的圣·安东尼山上。在那里,经过第二个聚焦透镜的反射,光脉冲又从一面镜子上径直返回鲍尔迪山。在这里,光脉冲又照射到后墙的曲面镜上,最后反射到旋转镜上。每个光脉冲不到1/4000秒就完成44英里的路程。返回光线在棱镜的反射下,就会投射到栅屋墙上的一个点。通过从棱镜与这一点的角度,迈克尔逊可以计算出光脉冲完成44英里往返路程,镜子转动的角度,并以此计算出光速。迈克尔逊计算出光速是2.997950377

10m/s,误差小于0.001%。

光速

旋转棱镜法

微波谐振腔法

1950 年,埃森(Essen)提出用空腔共振法来测量光速。原理是:微波通过空腔时,根据空腔的长度可以求出谐振腔的波长,把谐振腔的波长换算成光在真空中的波长,由波长和频率的乘积可计算出真空中光速。在实验中,将微波输入到圆柱形的谐振腔中,当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时,谐振腔的圆周长

D(D为谐振腔直径)和波长λ之间有:πD=2.404825 λ,因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长,而直径D则用干涉法测量,频率用逐级差频法测定。实验测量精度达10。

光速

空腔内的电磁驻波

微波干涉仪法

20世纪50年代流行用微波法测定光速,1958年有一个较精确的光速值是在微波干涉仪(f=72GHz)中获得的:c=2.99792500

10m/s,系统误差为3.3×10。1967 年,原苏联的西姆金(Simkin)等人用频率约为36GHz(波长8mm)的微波干涉仪完成了类似的测定,得到真空中光速值为299792.56± 0.11 km/s。1972年采用激光法测光速,达到了极高的精确性,在该年美国标准局(NBS)中K.M.Evenson等人以高度复杂的技术对甲烷(CH4)稳定激光完成了测频,实现了光频测量。此实验采用了铯原子频标出发的激光频率链,其中包括6台不同的激光器和5个微波速调管。 结果得到:fCH4=88.376181627×10 Hz 。测量精度达6×10;故可算出真空中光速c=

CH4fCH4=299792456±1.1(m/s)。即精度达3.6×10。相较于1958年微波干涉仪法,精度提高了100倍。

光速

干涉测量法原理

光电测距仪法

用光在被测基线(约10km)内的飞行时间测定,是伽利略试验的发展。1949年至1957年,瑞典的贝奇斯传德采用了光电测距仪的方法,他用经过调制的克尔盒作为光源,用同一振荡器调制的光电倍增管作为检测器测定光速。1924年,卡罗卢斯(Karolus)和米特尔施泰特(Mittelstaedt)提出利用克尔盒法来测定光速。1934年,谷瑞·德布雷(Cheury de Brayza)发表了有关光速的文章,其中列出了他们几年间光速的测量结果:1924年的结果为2.99802

10m/s;1926年的结果为2.99796

10m/s;1928年他们发表的结果,在测量中使用了克尔盒法,但最终施加交变电压来代替齿轮,用以周期性地隔断光束,由此得到的光速值是755次测量结果的平均值,为2.99778

10m/s;1933年的结果为2.99774

10m/s。1937年,安德森在发现正电子获1936年诺贝尔物理学奖后,也用克尔盒法测量光速,他与另一位科学家胡特尔(Huttel)的测量结果和不确定度均为 2.99771

10m/s。但在1941年,安德森的测量结果为2.99776

10m/s,不确定度从5×10降低到1.4×10。1951 年,瑞典的贝奇斯传德(E.Bergstrand)用克尔盒法测出的光速是2.997931

10m/s,1953年,麦肯济(Mackenzie)用此法测出的光速是2.997924

10m/s,二者的不确定度分别为0.32×10和0.5×10。

现代物理测定方法

光拍频法

光速

CG-V型光速测定仪

用光电检测器接收这个拍频波,即得频率为拍频,如果接收电路将直流成分滤掉,即得纯粹的拍频信号在空间的分布。这就是说,处在不同空间位置的光检测器,在同一时刻有不同位相的光电流输出,利用比较相位的方法间接测定光速。

光拍频法测量光速是利用声光频移法形成光拍 ,通过远 、近光路产生光程差,测量光拍频率和光拍波长,从而间接测定光速的方法。实验需要测量的数据为拍频波长。测量时需要注意要对光路非常熟悉,并且充分理解光的反射路线,否则测量误差较大。当测出拍频波长后,从数字频率计读出高频信号发生器的输出频率,计算光速。

高精度时间间隔测量

1973年6月,国际计量局(BIPM)米定义咨询委员会决定以高精度光频测量和高精度光波长为基础:取激光波长

= 3.39223140

m,激光频率同前,测算出c= 299792458m/s(1,079,252,848.88km/h)作为公认的真空中光速值。同年8月,国际天文联合会决定采用。1975年,第15 届国际计量大会(CGPM)认可了该测量值。1983年第17届国际计量大会正式通过了对米的重新定义:“米是光在真空中 1/299 792 458 秒的时间间隔内行程的长度”。国际单位制的基本单位米于1983年10月21日起被定义为光在1/299,792,458秒内传播的距离。使用英制单位,光速约为186,282.397英里/秒,或者670,616,629.384英里/小时,约为1英尺/纳秒。只有当距离可以以更高的精度得到测量的时候,对光速c的新的测量才有意义。国际计量界认为无需再测量真空中光速。

近代测量真空中光速实验的简表:

年代主持人方式光速(km/s)不确定度(km/s)
1907Rosa、DorseyEsu/emu*29978415
1928Karolus 等克尔盒29978615
1947Essen 等谐振腔2997924
1949Aslakson雷达299792.42.4
1951Bergstand光电测距仪299793.10.26
1954Froome微波干涉仪299792.750.3
1964Rank 等带光谱299792.80.4
1972Bay 等稳频氦氖雷射器299792.4620.018
1973平差299792.45800.0012
1974Blaney稳频CO2雷射器299792.45900.0006
1976Woods 等299792.45880.0002
1980Baird 等稳频氦氖雷射器299792.45810.0019
1983国际协议(规定)299792.458(精确值)

近代真空光速实验简表

超光速的观测

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自爱因斯坦的光速极限提出后,我们的理论一直受制于光速极限。但有时候,我们似乎能观察到物质、能量或者信息的超光速运行,这其实是一种错觉。实现宇宙飞行也需要考虑突破光速来实现。

因此科学家们进行了一系列相关实验来发现能否突破光速极限。美国普林斯顿大学科学家王利军于2000年进行的实验和德国科学家于2007年进行的实验都取得了一定的进展。在真空状态下,在不同位置测到的光脉冲似乎以一种难以置信的速度在传播。不过,2007年的实验仍然存在争议。一些量子效应显得可以超光速瞬时传递,如量子纠缠现象。在“量子纠缠”现象中,信息的传播速度似乎比光速快。

2011年9月22日,意大利物理学家在OPERA实验中发现了一种超出光速40322.58分之一的中微子,如果实验数据确凿无误,爱因斯坦的相对论将会受到挑战。但是随后便发现,该实验结果为设备线路接错而造成。该实验结果于2012年6月8日被该小组宣布撤销。

应用领域

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通讯

地球赤道周长为40075 km,而c大约等于300000000 m/s,所以信息沿着地球表面需时67毫秒才能行进半个地球的距离。光在光纤中的实际传递时间则会更长,因为光纤内的光速比c慢大约35%,具体数值同折射率n相关。更甚者,全球性通讯很少用到两点之间的最短距离,而且信号在通过电开关和信号再生器时还会加入额外的延时。

航空航天与天文学

地球与航天器之间的通讯无法瞬时传递。有限光速所带来的信号延时会随着距离的增大而变得更明显。当阿波罗8号成为首艘进入月球轨道的载人飞船时,它与地面任务控制中心的通讯就有明显的延时:从地面发出的提问至少要等3秒才会得到回复。地球和火星之间的通讯延时介乎5到20分钟,具体数字要看当时两者的相对位置。若位于火星表面的机器人遇到问题,地面的控制人员要等5到20分钟才会收到消息,接着发出的指令又要等待5到20分钟才会抵达火星。地面与木星探测器的通讯延时高达数小时。一旦发生导航错误并须要人为干预,会有错过时机的危险。

来自其他遥远天体的光和信号需要长得多的时间才能到达地球。例如,哈勃超深空影像中来自极远星系的光,在被探测之前已经过了130亿(13×10)年的飞行时间。这些图片所捕捉到的,是这些星系130亿年前的样子,当时的宇宙年龄还不到10亿年。有限的光速使得天文学家能够观察远处天体更年轻时的样貌,从而研究恒星、星系和宇宙的演化。

天文距离有时会以光年作单位,特别是在科普作品和媒体报导之中。一光年等于光在一年的时间内所行进的距离,约等于9.461兆(万亿)公里,又等于0.3066秒差距。比邻星是除太阳以外最接近地球的恒星,其距离地球约4.2光年。

光速

天文台

测量距离

雷达系统通过发出无线电波,并测量电波从目标反射回来后的总时间,从而计算目标的距离。目标的距离是来回飞行时间的一半,乘以光速。全球定位系统(GPS)接收器通过测量来自各个卫星的电波信号的抵达时间,计算它与这些卫星的距离,再推算接收器在地球上的位置。由于光在一秒内能行进30万公里,所以这些时间的测量必须非常精准。月球激光测距实验、射电天文学和深空网络利用来回飞行时间,分别量度月球、各大行星及航天器的距离。

光速

光通讯

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词条目录
  1. 研究历史
  2. 早期历史
  3. 早期的测定
  4. 光的传播介质-以太的猜想
  5. 狭义相对论
  6. 明确固定光速的数值
  7. 介质影响
  8. 相关理论
  9. 光速不变原理
  10. 光速可变理论
  11. 质能方程
  12. 测定方法
  13. 天文测量法
  14. 飞行时间法
  15. 旋转齿轮法
  16. 旋转棱镜法
  17. 微波谐振腔法
  18. 微波干涉仪法
  19. 光电测距仪法
  20. 现代物理测定方法
  21. 光拍频法
  22. 高精度时间间隔测量
  23. 近代测量真空中光速实验的简表:
  24. 超光速的观测
  25. 应用领域
  26. 通讯
  27. 航空航天与天文学
  28. 测量距离

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