测量光速

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  1607年,意大利的伽利略,第一个用速度公式测量光速。他让两个人站在相距1.5千米的两个山头上,每人手提一盏前面有盖的信号灯。实验开始,第一个人先打开灯盖,对方看到灯光,也马上打开灯盖,把光和信号传回来。伽利略指出:测出这段时间,就能计算出光速。
  可是,实验失败了。我们现在已经知道,光在1.5千米的距离上往返一次,只需要十万分之一秒。这样短暂的时间,一般钟表根本无法测出来,而且开灯、看表造成的误差,会比光在两座山中间传播的时间大很多倍。光速太快,要想利用速度公式测量,就要大大地加大距离。地面上找不到那么长的直线距离,于是人们想到天空,利用天体的光现象来测量。
  17世纪70年代,不满30岁的丹麦天文学家罗默对木星和它的卫星进行了长期的观测。木卫星每42个多小时围绕木星转一圈。每当木卫星转到木星背面去的时候,我们就看不见它了。这叫“卫星蚀”。罗默发现,在一年当中,每次卫星蚀出现的周期是不同的,周期最长的一次要比最短的那次长1000多秒。这个现象使罗默十分惊异,他经过仔细的研究,得出了一个结论:这是由于地球和木星之间的距离变化造成的。当地球运行到太阳的另一边时,地球和木星之间的距离增大,所以我们看到卫星蚀的时间也长1000多秒。那么,究竟运行了多远呢?这个距离大约相当于地球绕太阳公转的轨道直径。根据当时已经知道的数据,罗默算出光速为225 000千米/秒。这是人类第一次从天空中测得的光速。但是,由于太阳在运动,地球在运动,木星和木星的卫星也在运动,它们之间的距离时刻都在变化。这样测得的光速精确程度很差。
  1849年,刚满30岁的法国物理学家菲索,仔细研究了伽利略测光速的实验以后,觉得他应用的原理完全正确,只是方法不够科学。菲索也是第一次在地面上设计实验装置来测定光速。他的方法原理与伽利略的相类似。他将一个点光源放在透镜的焦点处,在透镜与光源之间放一个齿轮,在透镜的另一测较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜,平面镜位于第二个透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光,平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点,在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿,当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光,当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间,根据齿轮的转速,这个时间不难求出。通过这种方法,菲索测得的光速是315 000千米/秒。人们称赞他是“第一个捕捉住光的人”。
  1923年,迈克尔逊集中了菲索等人实验装置的优点,特制了一个八角棱镜,让它旋转起来计时。在美国加利福尼亚州两个相距35.4千米的山头上,做了一个十分成功的实验,测出了光在空气中的传播速度。后来,他又把一个长1600米的管子抽去其中空气,让光在管子里往返10次,测出了光在真空中的速度。他去世后第三年,公布了当时测得的最佳数字:光在真空中的速度是299 796千米/秒。
  随着科学技术的进步,光速测定也越来越精确。目前公认,光在真空中的传播速度为299 792.45千米/秒,可以取作300 000千米/秒,在空气中光的传播速度比在真空中每秒要慢67千米,由于这个差很小,一般可以把它们看成近似相等。
  编辑/刘鹏
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