伽利略是有确切史料证明的光速测量史上的伟大的先驱人物

光速,目前自然界发现的所有运动物体的速度极限,教科书上是299792458m/s(真空中的光速)。从古代光速的无穷大到这个精确的数值,人类对光速的测量经历了几百年的漫长时期。这个过程是人类智力发展和科技进步的漫长过程。

打开电灯就可以照亮整栋房子。或许是基于同样的观察,在17世纪之前的很长一段时间里,人们习惯于根据自己的生活经验认为光速是无限的。直到17世纪发现了光的传播定律,人们才真正开始尝试测量光速。

伽利略是光速测量史上的伟大先驱,这是有确切史料证明的。1638年,伽利略试图测量光在空气中的传播速度。这个实验是这样的:让两个人站在一起或相距一英里。其中一个人点亮了手中的灯,另一个人记录了自己看到光的时间。如果能找到时间差,就能证明光有速度。毫无疑问,这样的实验不会取得任何结果。

尽管伽利略他的实验是失败的,他对天体的观察,尤其是对木星卫星,为后来的研究人员研究光速提供了巨大的灵感。当木星卫星运行到木星的背面,我们可以测量木星南纬。大约在同一时间,意大利人卡西尼号也开始了对木星的长期研究。

大约在20世纪70年代,丹麦的勒梅和巴黎的让皮卡特从木卫一上得到了一个线索:一年之内,木星卫星在各自的轨道上运行时间不同,当木星和地球之间的距离变大时,运行时间比平均值长。梅勒认为这种由实际运动引起的不均匀的可能性很小,他坚信光是以一定的速度传播的。梅勒向法国科学院解释了他的理论,计算出光穿过地球的时间约为22分钟。当然,今天用准确的光速计算出来的结果是16分36秒。乐迈的基本原则下图显示了测量光速的方法。当地球从L旋转到K时,第一颗木卫二出现的时间比平均运行周期计算出来的时间晚几分钟。乐麦认为这是因为多出来的路程多花了时间;当地球从F运行到G时,木卫一食物的出现时间比平均值要短,勒迈认为这是由于旅途中光照较少造成的。

虽然法国科学院没有立即接受Le Maire 的理论,让皮卡特和卡西尼的态度对这一理论截然相反,但勒梅尔的声誉大大提高了。不幸的是,他关于天文观测的资料毁于一场大火。

东方不亮西方亮。虽然勒梅尔的理论在法国还没有得到足够的重视,它在英国却得到了哈雷和布拉德利的热烈支持。天文学教授布拉德利在测量恒星视差时,意外打开了测量光速的希望之门。布拉德利意识到,当光的传播与地球在其轨道上的前进相结合时,光的传播每年发生一次变化,天体的变化是根据光速与地球的比率在这个方向上观察和记录的。根据布拉德利像差计算,太阳光到达地球的时间约为8分13秒,比勒梅测得的11分钟更接近正确值。这种像差可以很容易地用牛顿粒子理论:当光粒子像雨点一样落下时,当望远镜随着地球的运动向前移动时,光粒子进入向前倾斜的望远镜筒。

19世纪,牛顿粒子理论逐渐被年轻的研究人员和学者抛弃,光速的测量发展到一个新的阶段。早在1834年,惠斯通就用旋转反射镜测量电火花的持续时间,为测量光速提供了新的方法。基于这种想法,阿拉戈计划用旋转的镜子来测量光速。然而,理论上,这样的旋转镜需要每秒旋转1000次以上,这样的技术要求

老阿拉戈视力不好,所以这项工作只能由更年轻的人来完成,其中法国物理学家阿曼达自由灵魂(Amanda free soul)和利昂福柯(Leon Foucault)是最优秀的。1849年,自由灵魂用一个光源照亮了一个距离为8633米的反射器。光线通过720个规则的挡光齿轮旋转遮光,通过统计遮光的次数得到光线一秒钟内行进的距离。每秒31.5万公里,和现在的数值挺接近的。毫无疑问,齿轮的遮光宽度影响测量精度,但这种方法仍可视为伽利略的方法。

福柯在苏菲的基础上,用平面镜代替遮光板,通过旋转平面镜来代替遮光板。镜子以一定的速度旋转,因此在光从静止的镜子发射和反射的时间内,它只旋转一次。这样就可以精确的测出光来回走的时间,从而计算出光速。经过多次实验,福柯测得的平均光速为每秒29.8万。福柯还把整个装置装满水,测量了光在水中的速度,刚好等于水和空气的折射率比。之后,巴黎的科尔尼奥、英国的詹姆斯杨和英国的乔治福布斯对光速的测量方法进行了一系列的改进和应用。其中,1874年,科尔尼奥在相距23公里的地方安装了镜子。詹姆斯杨和乔治福布斯的测量结果发现,蓝光的速度比红光快1.8%。

对光速最精确的测量是在美国进行的。1867年,海军天文台的纽康建议重做福柯的实验并获得了更接近的太阳视差值。迈克尔逊于1878年和1879年在安纳波利斯海军学院的实验室里做了初步实验。1882年,在纽康的要求下,迈克尔逊在俄亥俄州克利夫兰的凯斯学院再次做了这个实验。迈克尔逊使用了八角形旋转镜,避免了反射光的角度偏差,测得的光速更加准确,更接近我们现在的标准值。

随着时间进入20世纪,电子设备取代了原来的机械设备,测量设备的电子化可以进一步提高测量精度。1972年,美国科学家利用激光干涉术获得了最精确的光速:一束已知频率的激光被分裂,通过不同的传播路径,然后再次会聚并干涉。在观察干涉图样的同时,调整光程的长度,就可以计算出准确的波长,从而获得光速。测得的光速为299792458m/s,这是科学计算出的最准确的光速。产生的变化是标准测量单位的变化米。在1983年的第17届国际计量大会上,标准米被重新定义为光在真空环境中1/299792458秒内通过的长度。编辑:pj