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光速测定的意义


□ 杨起胜

  在物理学中,物理恒量的测定,不仅为人们认识物理规律、物理定律提供了重要依据,而且还推动了新理论的建立。其中光速的测定就是如此。光速的测定深入为了解光的本性和建立新的物理规律提供了宝贵的资料,在光学的发展史以及物理学发展史上有其特殊的意义。这里简要地介绍光速的测定及在物理学理论发展中的重要作用。
  
  一、光速的测定
  
  光在真空中传递的速度叫作光速。从物理学中,我们都知道光速的精确值是299,792,458m/s。它是怎样测出来的呢?
  由于光速的值非常大,过去的许多物理学家都认为光的传播是瞬时进行的,不需要时间。开普勒和笛卡尔都是持这种观点的。但伽利略却认为,光即使传播得很快,也一定需要时间。他在著名的《两种新科学的对话》一书中,讨论了光是不是瞬间的问题,并且首先提出测定光速的方法——两个观察者从两个相距甚远的山头,各执一能够闪光的灯作信号来测定光的速度的设想。测定过程是:观察者甲先举灯,经过一定时间后光到达观察者乙;乙马上举灯,过若干时间后,此信号回到甲。于是甲可以记下从自己举灯到信号返回的时间间隔T,若两观察者间的距离为D,则光的速度C=2D/T。伽利略曾在1英里的距离上做过这种测量,由于光速极高,在相距1英里的两点间往返一次只需要十万分之一秒。这样短的时间,比观察者的反应时间要短得多,伽利略的测定没有获得任何结果。但他所提出的确定光速的问题,却启示了这一研究的发展。他在实验中所采用的原理,却几乎保留在后来的一切测定光速的实验方法中。
  
  二、光速的测定方法
  
  1、罗默法
  首先证明光以有限的速度传播的科学家是丹麦天文学家罗默。他在巴黎天文台随皮卡尔参加了、木星卫星食的观测工作,发现了它们周期的不规则性,当地球运行到太阳与木星之间(E1、E4)时,木星食提早几分钟,当地球运行到太阳的另一侧(E2、E3)时,隐食则迟几分钟,他指出这种误差是由于没有把光从木星传到地球的时间计算在内而造成的,也即是光有一定速度的缘故(如图1)。罗默根据光线穿过地球绕太阳运行的轨道时间和地球的直径估算出光速为C=225000km/s。用这种方法算出的光速虽不准确,但它表明光速是可以测出的。
  2、斐索齿轮法和傅科的旋转镜法
  1948年,斐索设计了一个“劈开光速”的巧妙实验。他让一束光先通过某两齿轮之间的空隙,经过远处的的反射镜反射后,再让这束光先通过下一个空隙返回到观察镜里来。将光束在紧挨的两齿轮之间 来回所花的时间去除齿轮到反射镜的距离,就能得出光速值。(如图2)
  设轮的齿数为n。轮在每秒内的转数为N,那第光往返一次所需的时间t=1/2Nn;如果光速为C,齿轮与平面镜间的距离为L,那么, C=4NnL。
  斐索用齿数720的齿轮,取2L等于1.7266×105km。齿轮的旋转速度为12.6周,测得光速为3.15×105km/s。斐索关于“劈开光速“的巧妙设计,为实验测定光速奠定了基础。
  斐索之后,法国物理学家傅科于1850年用旋转平面镜来测定光速。其测定结果为:C=299,796+4km/s。与现代方法所测定的速度很接近(如图3)。特别是傅科还在整个装置中充入水,测出了光在水中的速度与在空气的速度的比值近似等于3/4,正好等于水和空气的折射率之比。此后还有很多科学家用更精确的方法来测定光速。比如1978年英国科学家布拉湿等人用二氧化碳激光器,根据激光的频率和波长测出的光速值是C=299,792,458+2m/s。1983年17届国际计量大会决议,真空中光速的最可靠值为C=299,792,458+0.02m/s。
  
  三、光速测定的意义
  
  1、米的新定义
  “米等于光在真空中299,792,458分之一秒时间间隔内所经路径的长度”。
  国际单位制的长度“米”起源于法国,以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位,由瑞士SIP工厂制造出长度单位“米”的基准器——米原器。米原器的截面开头多为X型,由铂(90%)、铱(10%)合金制成。规定在周围空气为0℃时,两端中间刻线之间的距离为1 m,此器保存在国际计量局。但是,米原器存在很多缺点,如材料变形、测量精度不高,一旦毁坏,不易复制。因此采用自然量值作为单位基准器的设想一直为人们所向往。由于时间的测量目前已达10-11秒,因此可以准确地测出1/299792458秒。用来检验米的长度也可以变得十分准确,光速的测定给出了米的新定义。
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