光速 光速是一個(gè)物理常數(shù),指真空中光和其他電磁波的速度。通常以英文字母 c 表示,真空中光速也稱為自由空間中光速。 無線電波、X射線等電磁波都以光速傳播。光波傳播的速度,與力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及近代物理中的許多定理都有著極為密切的聯(lián)系。光速是目前科學(xué)界所發(fā)現(xiàn)的速度極限,根據(jù) 狹義相對(duì)論 光速是宇宙中所有的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或能量(以及攜帶的信息)在空間中傳播的速度上限,也是所有 無質(zhì)量粒子 及對(duì)應(yīng)的場(chǎng)波動(dòng)在真空中運(yùn)行的速度。這由電子在電子加速器中被加速時(shí)的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了證實(shí)。在相對(duì)論中,光速c與空間和時(shí)間相關(guān)聯(lián),在質(zhì)能等價(jià)方程中具有特殊意義。在特定情況下,物體或波的傳播速度可能比光速更快(例如,波的相速度、某些高速天文物體的出現(xiàn)以及特定的 量子效應(yīng) )。
基本信息
英文名
Lightspeed / speed of light / velocity of light / electromagnetic constant
1983年,國(guó)際度量衡委員會(huì)決定將光速確定為299792458m/s。代表符號(hào)為c,約等于3×10 (m/s)。
目前,光速通常以英文字母 c 表示,測(cè)定出最精確的數(shù)值是299792458m/s,單位為m/s(米每秒)。
在愛因斯坦提出的 廣義相對(duì)論 中,光速會(huì)隨著引力場(chǎng)的強(qiáng)度而改變。粒子的運(yùn)動(dòng)速度比真空中的光速要慢。但粒子運(yùn)動(dòng)速度比在其他介質(zhì)中的光速傳播要更快。它會(huì)發(fā)出一種被稱為“ 契倫科夫輻射 ”的微弱藍(lán)光。 光速與波長(zhǎng)成正比。 靜電場(chǎng)在真空中的傳播速度就是光速的下限(0.89c)。 光速的色散是 光子 有質(zhì)量的證據(jù),光速的變化范圍很?。?.895c≤v≤c),故光速的色散應(yīng)近似地與頻率的三次方成反比。 根據(jù)斥力子理論推得:光速是物體運(yùn)動(dòng)速度的極限速度,以光速運(yùn)動(dòng)的物體其質(zhì)量等于靜止質(zhì)量的兩倍。
相關(guān)性質(zhì) 1.光速的絕對(duì)性:光速是極限速度,以光速運(yùn)動(dòng)的粒子的引力質(zhì)量為0
2.光速是一種標(biāo)量速度,在各個(gè)方向上大小相等
3.光速同任何速度相加之和仍為光速。光速與任何速度(亞光速、光速或超光速)的合成速度仍是光速
4.光速的不變性:對(duì)于同一個(gè)參照系,光速值為常數(shù),與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向無關(guān)
5.光速的相對(duì)性:相對(duì)不同的 慣性參照系 ,光速c的值不同
不同介質(zhì) 光的波長(zhǎng) ,頻率f,與光速的關(guān)系為:c= f;在不同的介質(zhì)中,光速有不同的折射率,介質(zhì)中的光速c medium 與折射率n的關(guān)系為:c medium =c/n。 若介質(zhì)的折射率隨光波頻率變化很大,群速度就會(huì)變得很小。所以,在小頻率范圍內(nèi)介質(zhì)的折射率發(fā)生急劇變化是實(shí)現(xiàn)光速減慢的關(guān)鍵。
機(jī)制原理 所以可以定義物體的動(dòng)能為:E k =mc -m 0 c
并且可以定義物體的能量為:E=mc
研究歷史 亞里士多德 堅(jiān)信光不會(huì)移動(dòng),只存在出現(xiàn)與否的差異,這一觀點(diǎn)得到當(dāng)時(shí)許多人的支持。古希臘人認(rèn)為,視覺對(duì)于光傳播的感知是從眼球指向被觀測(cè)物體的。但是亞歷山大的海倫(Heronof Alexandria )認(rèn)為:若當(dāng)真如此,那么光的傳播必然是瞬時(shí)的,否則當(dāng)我們睜開眼睛時(shí),又如何能瞬間看到遠(yuǎn)方的星體。伊斯蘭學(xué)者 阿爾哈曾 (Alhazen)著有《光學(xué)寶鑒》(Book of Optics),他認(rèn)為光是從相反方向傳播而來,是從被觀察物體傳播到觀測(cè)者眼中的。 意大利物理學(xué)家 伽利略 認(rèn)為,只要光的傳播需要時(shí)間,人類就能測(cè)算出光速。1607年,36歲的伽利略進(jìn)行了世界上第一個(gè)測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)。 他提出通過計(jì)量光信號(hào)傳播時(shí)間來計(jì)算光速的方法:一人帶著時(shí)鐘和提燈站在一座山丘上,另一人也拿著提燈站在鄰近且距離已知的另一山丘上。第一人打開燈時(shí)開始計(jì)時(shí),第二人看到光后,打開自己的燈,第一人看到第二人的燈光時(shí),停止計(jì)時(shí)。為了使光傳播距離較遠(yuǎn),測(cè)定誤差較小,他讓兩個(gè)人分別站在兩座山上。 由于伽利略測(cè)量光速所用的距離過短,不足以精確測(cè)量出光線傳播時(shí)長(zhǎng),所以實(shí)驗(yàn)以失敗告終。法國(guó)數(shù)學(xué)家 笛卡爾 對(duì)此實(shí)驗(yàn)做了進(jìn)一步改良,他認(rèn)為:若光線從太陽(yáng)或月球傳播到地球需要時(shí)間,那月食等現(xiàn)象真實(shí)發(fā)生的時(shí)刻就會(huì)和人類的預(yù)測(cè)存在差別。但經(jīng)過多次觀測(cè),仍未發(fā)現(xiàn)任何時(shí)滯。事實(shí)上,伽利略和笛卡爾的思路是正確的,但由于光線傳播速度極快,穿過月地距離和日地距離的時(shí)間十分短暫,當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)器材不足以觀測(cè)出來。 1676年,丹麥天文學(xué)家 奧勒·羅默 (OIaus Roemer)第一次提出了有效的光速測(cè)量方法并成功運(yùn)用“木星衛(wèi)星法”計(jì)算出了光速。他在巴黎對(duì) 木星 的一個(gè)衛(wèi)星 木衛(wèi)一 的掩星研究觀測(cè)發(fā)現(xiàn):它的掩星發(fā)生時(shí)間與預(yù)期時(shí)間不符。地球靠近木星時(shí),掩星早11分鐘;地球距木星較遠(yuǎn)時(shí),掩星晚11分鐘。并且在地球處于太陽(yáng)和木星之間時(shí)的周期與太陽(yáng)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,他還推斷出光跨越地球軌道所需時(shí)間為22分鐘。1676年9月,羅默預(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。觀測(cè)最終證實(shí)了羅默的預(yù)言。結(jié)合木星距離,羅默估算出光速約為2.1 10 m/s,并于1676年將其成果發(fā)布在《學(xué)者雜志》(Journaldes Scavans)上。這一結(jié)果在當(dāng)時(shí)只有 牛頓 等幾個(gè)杰出的學(xué)者認(rèn)同,并得到了科學(xué)家 惠更斯 的贊同,惠更斯根據(jù)他觀測(cè)出的數(shù)據(jù)與地球半徑計(jì)算出了光速:2.14 10 m/s。 1725年,英國(guó) 天文學(xué)家詹姆斯?布拉德雷(James Bradley)發(fā)現(xiàn)了恒星的“光行差”現(xiàn)象,以意外的方式證實(shí)了羅默的理論。一開始,他無法解釋他觀測(cè)到的這一現(xiàn)象,直到1728年,他在坐船時(shí)受到風(fēng)向與船航向相對(duì)關(guān)系的啟發(fā),認(rèn)識(shí)到光的傳播速度與 地球公轉(zhuǎn) 速度共同引起了“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(yáng)光到達(dá)地球需要8分13秒。布拉德雷測(cè)定值證明了羅默的光速有限性的說法。 1849年9月,法國(guó)人 斐索 (A.H.Fizeau)用旋轉(zhuǎn)齒輪法測(cè)得光速為3.153 10 m/s,成為在地面上用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定光速的第一人。斐索轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)以規(guī)則的間隔遮擋光的齒輪,間斷性的閃光來自安裝在一定距離的鏡面反射。這個(gè)研究是在巴黎市郊相距為8633米的絮倫(Suresnes)和蒙馬特里(Montmartre)之間進(jìn)行的。他的測(cè)定結(jié)果與1983年確定的光速僅相差5%。斐索之后,還有紐考姆 (Newcomb)、福布斯(Forbes)、珀羅汀(Perotin)等人先后改進(jìn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn),所得結(jié)果均在 2.99×l0 -3.01×10 m/s的范圍內(nèi)。1850年,法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家傅科在斐索的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,用旋轉(zhuǎn)鏡法測(cè)量空氣中光速為2.98×10 m/s。他讓平行光通過旋轉(zhuǎn)的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上,用平面鏡的轉(zhuǎn)速求出時(shí)間。此外,傅科還測(cè)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,他計(jì)算出了光由空氣射入水中的折射率。1874年,考爾紐(A.Cornu)改進(jìn)了斐索的旋轉(zhuǎn)齒輪法,測(cè)得更精確的結(jié)果:2.999×10 m/s。1856年,科爾勞施(R. Kohlrausch)和韋伯(W. Weber)完成了有關(guān)光速的測(cè)量, 麥克斯韋 根據(jù)他們的數(shù)據(jù)計(jì)算出電磁波在真空中的波速值為3.1074×10 千米/秒,此值與 斐索 的結(jié)果十分接近,這對(duì)人們確認(rèn)光是電磁波起很大作用。自1857年到1923年測(cè)定光速一般使用電學(xué)測(cè)量方法。 1928年,美國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特 ?邁克爾遜為了測(cè)定出誤差在0.001%以內(nèi),精確程度滿足最基本的核物理運(yùn)算的光速值,已經(jīng)在過去50多年內(nèi)設(shè)計(jì)了12次實(shí)驗(yàn)。他發(fā)明了6臺(tái)精密裝置,最終準(zhǔn)確地測(cè)定出光速。并因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。邁克爾遜用一個(gè)能夠恒速旋轉(zhuǎn)的引擎驅(qū)動(dòng)八邊形棱鏡高速旋轉(zhuǎn),他向棱鏡照射光線,在 鏡子 旋轉(zhuǎn)到某點(diǎn)時(shí),光束正好能夠反射到屋子后墻上靜止的曲面鏡上。這面旋轉(zhuǎn)的鏡子只用遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于1秒的時(shí)間就能夠把光線反射回曲面鏡上,然后又繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。曲面鏡從棱鏡的每面都會(huì)收到短光脈沖。每個(gè)光脈沖經(jīng)過聚焦透鏡的反射,穿過墻洞,傳播到22英里外的圣·安東尼山上。在那里,經(jīng)過第二個(gè)聚焦透鏡的反射,光脈沖又從一面鏡子上徑直返回 鮑爾迪山 。在這里,光脈沖又照射到后墻的曲面鏡上,最后反射到旋轉(zhuǎn)鏡上。每個(gè)光脈沖不到1/4000秒就完成44英里的路程。返回光線在棱鏡的反射下,就會(huì)投射到柵屋墻上的一個(gè)點(diǎn)。通過從棱鏡與這一點(diǎn)的角度,邁克爾遜可以計(jì)算出光脈沖完成44英里往返路程,鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,并以此計(jì)算出光速。邁克爾遜計(jì)算出光速是2.997950377 10 m/s,誤差小于0.001%。 20 世紀(jì)初,兩位科學(xué)家從理論上推算出光速的數(shù)值。1906 年,羅薩(E.B.Rosa)和竇賽(N.E.Dorsey)發(fā)表了一個(gè)準(zhǔn)確的光速值:299784±15 km/s。這個(gè)數(shù)值是他們通過測(cè)量?jī)深愲妴挝恢?,即絕對(duì)靜電單位(esu)中的電荷與絕對(duì)電磁單位(emu)的同一電荷之比獲得的。1941年,伯奇(R.T.Birge)評(píng)論此實(shí)驗(yàn)為“整個(gè)科學(xué)史上精密研究中完成的最美的實(shí)驗(yàn)之一” 。二人測(cè)量的光速值處于當(dāng)時(shí)光速測(cè)量值的中間值,與2.99774 10 m/s和2.99793 10 m/s均僅相差9 km/s。 1924年,卡羅盧斯(Karolus)和米特爾施泰特(Mittelstaedt)提出利用克爾盒法來測(cè)定光速。1934年,谷瑞·德布雷(Cheury de Brayza)發(fā)表了有關(guān)光速的文章,其中列出了他們幾年間光速的測(cè)量結(jié)果:1924年的結(jié)果為2.99802 10 m/s;1926年的結(jié)果為2.99796 10 m/s;1928年他們發(fā)表的結(jié)果,在測(cè)量中使用了克爾盒法,但最終施加交變電壓來代替齒輪,用以周期性地隔斷光束,由此得到的光速值是755次測(cè)量結(jié)果的平均值,為2.99778 10 m/s;1933年的結(jié)果為2.99774 10 m/s。1937年,安德森在發(fā)現(xiàn) 正電子 獲1936年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后,也用克爾盒法測(cè)量光速,他與另一位科學(xué)家胡特爾(Huttel)的測(cè)量結(jié)果和不確定度均為 2.99771 10 m/s。但在1941年,安德森的測(cè)量結(jié)果為2.99776 10 m/s,不確定度從5×10 降低到1.4×10 。1951 年,瑞典的貝奇斯傳德(E.Bergstrand)用克爾盒法測(cè)出的光速是2.997931 10 m/s,1953年,麥肯濟(jì)(Mackenzie)用此法測(cè)出的光速是2.997924 10 m/s,二者的不確定度分別為0.32×10 和0.5×10 。 20世紀(jì)50年代流行用微波法測(cè)定光速,1958年有一個(gè)較精確的光速值是在微波干涉儀(f=72GHz)中獲得的:c=2.99792500 10 m/s,系統(tǒng)誤差為3.3×10 。1967 年,原 蘇聯(lián) 的西姆金(Simkin)等人用頻率約為36GHz(波長(zhǎng)8mm)的微波干涉儀完成了類似的測(cè)定,得到真空中光速值為299792.56± 0.11 km/s。1972年采用激光法測(cè)光速,達(dá)到了 極高的精確性,在該年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)中K.M.Evenson等人以高度復(fù)雜的技術(shù)對(duì) 甲烷 (CH 4 )穩(wěn)定激光完成了測(cè)頻,實(shí)現(xiàn)了 光頻測(cè)量 。此實(shí)驗(yàn)采用了銫原子頻標(biāo)出發(fā)的激光頻率鏈,其中包括6臺(tái)不同的激光器和5個(gè)微波速調(diào)管。 結(jié)果得到:f CH4 =88.376181627×10 Hz 。測(cè)量精度達(dá)6×10 ;故可算出真空中光速c= CH4 f CH4 =299792456±1.1(m/s)。即精度達(dá)3.6×10 。相較于1958年微波干涉儀法,精度提高了100倍。 1973年6月, 國(guó)際計(jì)量局 (BIPM)米定義咨詢委員會(huì)決定以高精度光頻測(cè)量和高精度光波長(zhǎng)為基礎(chǔ):取激光波長(zhǎng) = 3.39223140 m,激光頻率同前,測(cè)算出c= 299792458m/s(1,079,252,848.88km/h)作為公認(rèn)的真空中光速值。同年8月,國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)決定采用。1975年,第15 屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)認(rèn)可了該測(cè)量值。 1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過了對(duì)米的重新定義:“米是光在真空中 1/299 792 458 秒的時(shí)間間隔內(nèi)行程的長(zhǎng)度”。國(guó)際單位制的基本單位米于1983年10月21日起被定義為光在1/299,792,458秒內(nèi)傳播的距離。使用 英制單位 ,光速約為186,282.397英里/秒,或者670,616,629.384英里/小時(shí),約為1英尺/納秒。只有當(dāng)距離可以以更高的精度得到測(cè)量的時(shí)候,對(duì)光速c的新的 測(cè)量才有意義。國(guó)際計(jì)量界認(rèn)為無需再測(cè)量真空中光速。 但光速還定義著比長(zhǎng)度更加基本的東西。 阿爾伯特·愛因斯坦 (Albert Einstein)的工作表明了光速的真正重要性。他證明光速不僅僅是光子在真空中運(yùn)動(dòng)的速度,還是連接時(shí)間與空間的基本常數(shù),不過,一直與相對(duì)論有沖突的 量子理論 是允許物質(zhì)以大于光速的速度運(yùn)動(dòng)的。在20世紀(jì)20年代,量子論顯示一個(gè)系統(tǒng)相隔遙遠(yuǎn)的不同組成部分能夠瞬時(shí)聯(lián)系。1993年, 加利福尼亞大學(xué)伯克利分校 的Raymond Chiao表明,量子理論還允許另一種超光速旅行存在:量子隧穿。德國(guó)物理學(xué)家維納·海森堡的 測(cè)不準(zhǔn)原理 表明:在一個(gè)系統(tǒng)中,總有某些屬性,在這一情況中是能量的值是不能確定的,只能確定在一個(gè)區(qū)間內(nèi),因此量子物理學(xué)原理允許系統(tǒng)利用這種不確定性,短時(shí)間借到一些額外的能量。在隧穿的情況中,粒子從障礙物的一面消失又從另一面重現(xiàn)的需要幾乎可以忽略不計(jì)。不過隨著厚度增加,粒子隧穿的幾率也就迅速地朝零的方向遞減,但不會(huì)等于0(如若這樣, 海森堡 原理就會(huì)被反對(duì))。Chiao通過測(cè)量可見光光子通過特定過濾器的隧穿時(shí)間,證明了隧穿“超光速”的隧穿效應(yīng)存在。為此,他讓這些光子與在相似時(shí)間內(nèi)穿過真空的光子進(jìn)行比較。結(jié)果隧穿光子先到達(dá)探測(cè)器,Chiao證明它們穿越過濾器的速度可能為光速的1.7倍。 2008年8月,《Nature》雜志上, 瑞士 的塞拉特等5位科學(xué)家公布了他們的一項(xiàng)最新研究成果:量子信息傳輸速度遠(yuǎn)超光速。瑞士科學(xué)家對(duì)相互糾纏的光子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)其中一個(gè)光子的分析,科學(xué)家可以預(yù)測(cè)另一光子的特征。在實(shí)驗(yàn)中,任何隱藏信號(hào)從此接收站傳送到彼接收站,僅僅需要一百萬兆分之一秒。由此可以推測(cè)任何未知信號(hào)的傳輸速率至少是光速的1萬倍。
測(cè)定方法
經(jīng)典物理測(cè)定方法
旋轉(zhuǎn)棱鏡法 棱鏡不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),只有八棱鏡的某一面恰好與人射光線成45度角時(shí),光線能被反射至遠(yuǎn)方的反射裝置,反射回來的光線經(jīng)另一面反射進(jìn)入觀察者眼睛,觀察者能看到光源的像。棱鏡以較小的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光線經(jīng)1號(hào)面和反射裝置反射后到達(dá)棱鏡時(shí),3號(hào)面已經(jīng)不再與光線成45度角,光線無法進(jìn)入觀察者眼睛,觀察不到光源的像。若緩慢提高棱鏡轉(zhuǎn)速,當(dāng)光線反射回棱鏡時(shí),棱鏡剛好轉(zhuǎn)過1/8轉(zhuǎn),即2號(hào)面轉(zhuǎn)至原3號(hào)面所在位置,則光線又可以進(jìn)入觀察者眼睛,重新看到光源的像。
棱鏡轉(zhuǎn)速只有在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近極小的范圍內(nèi)可以看到光源的像,其他轉(zhuǎn)速下均觀察不到光源的像。在此實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象稍縱即逝,很難被觀察到。一旦被觀察到,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速會(huì)比較精確,測(cè)量結(jié)果精度較高。
旋轉(zhuǎn)齒輪法 實(shí)驗(yàn)中選用齒寬和齒間縫寬相等的齒輪,當(dāng)齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光線周期性被齒輪遮擋,這些光線由反射裝置反射回齒輪處時(shí),具有一定的延時(shí),返回的光線被齒輪部分遮擋,若進(jìn)一步提高齒輪轉(zhuǎn)速,則齒輪透光時(shí)間和擋光時(shí)間均減小,反射光線中被遮擋的比例增大。當(dāng)其減小到剛好等于光線反射延時(shí),反射光線剛好全部被遮擋,觀察者剛好看不到光源的像。
齒輪轉(zhuǎn)速在接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速的過程中,看到光源的像逐漸變暗,轉(zhuǎn)速超過目標(biāo)轉(zhuǎn)速后,像又逐漸變亮。在此實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易被觀察到。但在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近,像的亮度小到觀察者無法識(shí)別時(shí)會(huì)和目標(biāo)狀態(tài)混為一體,于是目標(biāo)轉(zhuǎn)速的不確定度便增大了,降低了實(shí)驗(yàn)精度。
近代物理測(cè)定方法
微波諧振腔法 1950 年,埃森(Essen)提出用空腔共振法來測(cè)量光速。原理是:微波通過空腔時(shí),根據(jù)空腔的長(zhǎng)度可以求出諧振腔的波長(zhǎng),把諧振腔的波長(zhǎng)換算成光在真空中的波長(zhǎng),由波長(zhǎng)和頻率的乘積可計(jì)算出真空中光速。在實(shí)驗(yàn)中,將微波輸入到圓柱形的諧振腔中,當(dāng)微波波長(zhǎng)和諧振腔的幾何尺寸匹配時(shí),諧振腔的 圓周長(zhǎng) D(D為諧振腔直徑)和波長(zhǎng)λ之間有:πD=2.404825 λ,因此可以通過諧振腔直徑的測(cè)定來確定波長(zhǎng),而直徑D則用干涉法測(cè)量,頻率用逐級(jí)差頻法測(cè)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度達(dá)10 。
微波干涉儀法 1952年至1954年,英國(guó)國(guó)家物理研究所(NPL)的弗洛姆(Froome)用微波干涉儀測(cè)定了真空中光速值。通過微波干涉儀測(cè)定波長(zhǎng)和頻率計(jì)算出光速。
光電測(cè)距儀法 用光在被測(cè)基線(約10km)內(nèi)的飛行時(shí)間測(cè)定,是伽利略試驗(yàn)的發(fā)展。1949年至1957年,瑞典的貝奇斯傳德采用了光電測(cè)距儀的方法,他用經(jīng)過調(diào)制的克爾盒作為光源,用同一振蕩器調(diào)制的光電倍增管作為檢測(cè)器測(cè)定光速。
現(xiàn)代物理測(cè)定方法
光拍頻法 用光電檢測(cè)器接收這個(gè)拍頻波,即得頻率為拍頻,如果接收電路將直流成分濾掉,即得純粹的拍頻信號(hào)在空間的分布。這就是說,處在不同空間位置的光檢測(cè)器,在同一時(shí)刻有不同位相的光電流輸出,利用比較相位的方法間接測(cè)定光速。
光拍頻法測(cè)量光速是利用聲光頻移法形成光拍 ,通過遠(yuǎn) 、近光路產(chǎn)生光程差,測(cè)量光拍頻率和光拍波長(zhǎng),從而間接測(cè)定光速的方法。實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)為拍頻波長(zhǎng)。測(cè)量時(shí)需要注意要對(duì)光路非常熟悉,并且充分理解光的反射路線,否則測(cè)量誤差較大。當(dāng)測(cè)出拍頻波長(zhǎng)后,從 數(shù)字頻率計(jì) 讀出高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率,計(jì)算光速。
高精度時(shí)間間隔測(cè)量 光速的測(cè)定可利用v=l/ 的關(guān)系式,通過測(cè)定光波波包中心所通過的光程l及所需的時(shí)間,從而求得波包的傳播速度,一個(gè)單色平面波對(duì)應(yīng)于從- 到+ 的純正弦波,頻率、振幅處處相同,無法傳遞信息。要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞必須對(duì)波進(jìn)行調(diào)制,從而使載波的振幅隨信息頻率而變化形成波包。波包的傳播速度稱為群速度,它代表信號(hào)振幅的傳播速度。高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP1采用的延遲線插入法技術(shù),芯片內(nèi)部通過鎖相環(huán)提高計(jì)數(shù)頻率并采用門延時(shí)技術(shù)達(dá)到高精度的測(cè)量分辨率。利用該裝置可以測(cè)量出高精度的時(shí)間間隔。利用光纖延時(shí)與高精度時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的新穎方法,測(cè)量光速簡(jiǎn)單方便且精度高。
相關(guān)理論
光速不變?cè)?/span> 1905年,愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對(duì)論的第一篇論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》中提出了光速不變公設(shè):“光在空虛空間里總是以確定的速度v傳播著,這速度同發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)無關(guān)”。愛因斯坦依據(jù) 邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn) ,提出光速不變性( invariance of light speed,ILS)假設(shè),從而在理論上導(dǎo)出 洛倫茲變換 ,建立狹義相對(duì)論(special relativity,SR),揭示了時(shí)空和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性。沒有物體的運(yùn)動(dòng)速度能夠超過光速。光速是極限,不存在比光速更快的速度。狹義相對(duì)論( SR) 賦予光速非常特殊的性質(zhì),一是 “光速不變”原理,二是“光速不可超過”原則。 1887 年,因 麥克斯韋 的建議,邁克爾遜和莫雷開展了一項(xiàng)捕捉以太的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)的物理理論認(rèn)為,光的傳播介質(zhì)是“以太”,由此產(chǎn)生一個(gè)問題:地球以每秒30公里的速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng),就必然迎面受到每秒30公里的“以太風(fēng)”,從而必然對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問題出現(xiàn)以后,立即引起人們探討“以太風(fēng)”存在與否。邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中沒能發(fā)現(xiàn)以太,卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題:伽利略速度 疊加原理 失效了。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)顯示,光速與地球軌道速度疊加,仍然是光速。為了解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),菲茲杰拉德提出一個(gè)假設(shè):運(yùn)動(dòng)物體沿運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度收縮,收縮率為 (1-v /c )。在此之后,洛倫茲補(bǔ)充一個(gè)假設(shè):運(yùn)動(dòng)物體時(shí)間膨脹,膨脹率為1/ (1-v /c )。于是,洛倫茲變換誕生了。1905年,愛因斯坦依據(jù)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),提出光速不變?cè)恚汗馑坪鯖]有速度疊加效應(yīng),相對(duì)于所有觀測(cè)者,光速都是相同的,在以光為觀測(cè)媒介的觀測(cè)體系中,光速相對(duì)于所有觀測(cè)者都是相同的或不變的。光速不變?cè)硎怯陕?lián)立求解麥克斯韋方程組得到的,光速c= 1/ 0 0 。 0 是介電常數(shù), 0 為真空磁介常數(shù),并為 邁克耳遜 一莫雷實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。正是基于光速不變性假設(shè),愛因斯坦成功地建立狹義相對(duì)論,揭示了時(shí)空和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性現(xiàn)象(relativistic phenomenon)。ILS假設(shè)不僅是愛因斯坦SR的基石,也是愛因斯坦廣義相對(duì)論(general relativity,GR)的前提之一。一百多年來,愛因斯坦的相對(duì)論,包括SR和GR,得到幾乎所有觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)支持。ILS假設(shè)有一直接推論:光速乃宇宙終極速度,是任何其他的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)所不可超越的。愛因斯坦將光速不變性假設(shè)融入了自己的局域性觀念:物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度是有限的,光速是速度上限;宇宙不存在超距作用。光速不變?cè)碓诒惶岢鰰r(shí)只是一個(gè)假設(shè),而不是邁克耳孫‐莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。 光速不變?cè)碛址Q真空光速極限原理,包含三項(xiàng)內(nèi)容:光速與光源運(yùn)動(dòng)與否無關(guān);光速與頻率大小無關(guān);光速與方向(即接受者的速度)無關(guān)?,F(xiàn)有光學(xué)實(shí)驗(yàn)確切驗(yàn)證了以上內(nèi)容的前兩項(xiàng),第三項(xiàng)光速與方向無關(guān)這點(diǎn)始終未被證實(shí)。利用此原理創(chuàng)立了狹義、廣義相對(duì)論及超弦理論。 光速極限 原理是狹義相對(duì)論的預(yù)言,已被多個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí),是物理學(xué)基本原理之一。
光速可變理論 2015年1月,英國(guó) Glasgow 大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)兩年半努力做成功一項(xiàng)實(shí)驗(yàn),證明光速并非恒定不變,亦即光并不總是以光速傳播,即使在真空條件下也是如此。 研究論文從在預(yù)印本網(wǎng)站 arXiv出現(xiàn)到在美國(guó)《Science Express》上刊登只經(jīng)過幾天時(shí)間,而且迅即被各國(guó)媒體傳播報(bào)導(dǎo)。1月22日,D. Giovannini 等的論文發(fā)表在《 Science Express》上。同日,英國(guó)廣播公司(BBC)公布了對(duì)學(xué)術(shù)帶頭人 M. Padgett 教授的采訪。 1 月 27 日,中國(guó)新聞網(wǎng)發(fā)表一個(gè)簡(jiǎn)短報(bào)道,標(biāo)題是“英國(guó)科學(xué)家成功 降低真空中光速 ,或?qū)㈩嵏?Einstein 理論。”
在天文學(xué)中,光行差現(xiàn)象早已證明了光速與方向有關(guān)。對(duì)3K微波輻射及對(duì) 射電星系 的無線電波進(jìn)行的觀測(cè)均發(fā)現(xiàn)了在地球運(yùn)動(dòng)方向有明顯的各向異性。2002 年3月14日出版的《Nature》雜志報(bào)道了 牛津大學(xué) 的C.BIake和J.Wa用美國(guó)國(guó)家天文臺(tái)位于 新墨西哥州 的甚大陣列射電望遠(yuǎn)鏡(VLA)觀測(cè)了發(fā)出強(qiáng)大電波的遙遠(yuǎn)射電星系,觀測(cè)結(jié)果:他們發(fā)現(xiàn)這些星系發(fā)出的電磁波同樣在地球運(yùn)動(dòng)方向上表現(xiàn)出了各向異性,這種各向異性與上述宇宙背景輻射在地球運(yùn)動(dòng)方向上的各向異性是相同的。電磁波(即光波)速度隨觀測(cè)者(地球)速度的不同而發(fā)生變化。這些天文學(xué)實(shí)驗(yàn)確切地證明了光速與方向是有關(guān)的,因此光速可變是一個(gè)合理的結(jié)論。光速可變理論認(rèn)為光速與接受者密切相關(guān),即觀測(cè)者的速度將直接影響接受者所測(cè)得的光速:與光同向運(yùn)行的接受者測(cè)得的光速要變小。與光逆向運(yùn)行的接受者測(cè)得的光速將要變大。而相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系而言光速是不變的。