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  • 1 # PhD蕭何

    真空中的光速是一個物理常量,國際公認值為c=299792458m/s。17世紀前人們以為光速為無限大,義大利物理學家G.伽利略曾對此提出懷疑,並試圖透過實驗來檢驗他設想,在距離很遠的兩個地方,兩人互相用燈光傳遞訊號,最終沒能成功。

    艾薩克·牛頓也接受光速是有限的觀念,在他1704年出版的書《光學》中,他提出光每秒鐘可以橫越地球16.6次(相當於210,000公里/秒,比正確值低了30%)。這似乎是他自己的推斷(不能確知他是否有引用或參考羅默的資料)。

    1676年,丹麥天文學家奧勞斯·羅默(1644~1710)利用木星衛星的星蝕時間變化證實光是以有限速度傳播的。他利用木星的木衛一在木星在木星圓面上的投影作週期性變化的現象,第一次定量的估計出光速。艾歐的公轉軌道可以用來計算時間,因為它會規律的進入木星的陰影中一段時間。羅默觀測到當地球在最接近木星時,艾歐的公轉週期是42.5小時,當地球遠離木星時,艾歐從陰影中出現的時間會比預測的越來越晚,很明顯的是因為木星與地球的距離增加,使得"訊號"要花更多的時間傳遞。光要透過行星之間增加的距離,使得計時的訊號在第一次和下一次之間因而延長了額外的時間。當地球向木星接近時,情形則正好相反。羅默觀測到艾歐在接近的40 個軌道週期中週期比遠離的40個軌道週期縮短了22分鐘。以這些觀測為基礎,羅預設為在80個軌道週期中光線要多花費22分鐘行走艾歐與地球之間增加的距離。這意味著地球經歷了80個艾歐軌道週期(42.5小時)的時間,光線只要花22分鐘。這對應於一個地球在軌道上繞著太陽運動和光速之間的一個比例。意味著光速是地球的軌道速度的9,300倍,與現 在的數值10,100倍比較,相差較小。但是因為這種觀測是很困難的,因而日後被其他的方法所取代。

    在當時,天文單位的估計數值是大約1億4千萬公里。克里斯蒂安·惠更斯結合了天文單位和羅默的時間估計,每分鐘的光速是地球直徑的1,000倍,他似乎誤解了羅默22分鐘的意思,以為是橫越地球軌道所花費的時間。這相當於每秒220,000公里(136,000英里),比現 在採用的數值低了26%,但仍比當時使用其他已知的物理方法測得的數值為佳。

    即使如此,靠著這些觀測,光速是有限的仍不能被大眾滿意的接受(著名的有吉恩·多米尼克·卡西尼),直到在詹姆斯·佈雷德里(1728)的觀測之後,光速是無限的想法才被揚棄。佈雷德里推論若光速是有限的,則因為地球的軌道速度,會使抵達地球的星光有一個微小角度的偏折,這就是所謂的光行差,他的大小隻有1/200度。佈雷德里計算的光速為298,000公里/秒(185,000英里/秒),這與現 在的數值只有不到1%的差異。光行差的效應在19世紀已經被充分的研究,最著名的學者是瓦西里·雅可夫列維奇·斯特魯維。

    1849年,法國物理學家A.H.L.菲佐用旋轉齒輪法首次在地面實驗室中成功地進行了光速測量,最早的結果為c=315000千米/秒。1862年,法國實驗物理學家J.-B.-L.傅科根據D.F.J.阿拉戈的設想用旋轉鏡法測得光速為c=(298000±500)千米/秒。19世紀中葉J.C.麥克斯韋建立了電磁場理論,他根據電磁波動方程曾指出,電磁波在真空中的傳播速度等於靜電單位電量與電磁單位電量的比值,只要在實驗上分別用這兩種單位測量同一電量(或電流),就可算出電磁波的波速。1856年,R.科爾勞施和W.韋伯完成了有關測量,麥克斯韋根據他們的資料計算出電磁波在真空中的波速值為3.1074×10^5千米/秒,此值與菲佐的結果十分接近,這對人們確認光是電磁波起過很大作用。

    1926年,美國物理學家A.A.邁克耳孫改進了傅科的實驗,測得c=(299796±4)千米/秒,他於1929年在真空中重做了此實驗,測得c=299774千米/秒。後來有人用光開關(克爾盒)代替齒輪轉動以改進菲佐的實驗,其精度比旋轉鏡法提高了兩個數量級。1952年,英國實驗物理學家K.D.費羅姆用微波干涉儀法測量光速得c=(299792.50±0.10)千米/秒。此值於1957年被推薦為國際推薦值使用,直至1973年。

    1972年,美國的K.M.埃文森等人直接測量鐳射頻率ν和真空中的波長λ,按公式v=(u0e0)^-0.5

    (其中v為真空中電磁波的速度,

    為真空磁導率,

    為真空介電常數)算得c=(299792458±1.2)米/秒。1975年第15屆國際計量大會確認上述光速值作為國際推薦值使用。1983年17屆國際計量大會通過了米的新定義,在這定義中光速c=299792458米/秒為規定值,而長度單位米由這個規定值定義。既然真空中的光速已成為定義值,以後就不需對光速進行任何測量了。

    1983年,光速取代了儲存在巴黎國際計量局的由90%鉑和10%銥的合金製成的米原器被選作定義“米”的標準,並且約定光速嚴格等於299,792,458m/s,此數值與當時的米的定義和秒的定義一致。後來,隨著實驗精度的不斷提高,光速的數值有所改變,米被定義為1/299,792,458

    秒內真空中光透過的路程。

    1849年,菲索用旋轉齒輪法求得c=3.153✖️10^8m/s。他是第一位用實驗方法,測定地面光速的實驗者。 實驗方法大致如下:光從半鍍銀面反射後,經高速旋轉的齒輪投向反射鏡,再沿原路返回。如果齒輪轉過一齒所需的時間,正好與光往返的時間相等,就可透過半鍍銀面觀測到光,從而根據齒輪的轉速計算出光速。

    1862年,法國的傅科用旋轉鏡法測空氣中的光速,原理和斐索的旋轉齒輪法大同小異,他的結果是

    2.98✖️10^8m/s

    第三位在地面上測到光速的是考爾紐。1874年他改進了菲索的旋轉齒輪法,得2.99✖️10^8m/s

    阿爾伯特·邁克耳孫改進了傅科的旋轉鏡法,多次測量光速。1879年,得 c = (2.99910±0.00050) ×10^8m/s;1882年得c = (2.99910±0.00060) ×10^8m/s

    。後來,他綜合旋轉鏡法和旋轉齒輪法的特點,發展了旋轉稜鏡法,1924~1927年間,得c = (2.99910±0.00040) ×10^8m/s。

    邁克耳遜在推算真空中的光速時,應該用空氣的群速折射率,可是他用的卻是空氣的相速折射率。這一錯誤在1929年被經改正後,1926年的結果應為

    c = (2.99798±0.00004) ×10^8m/s

    後來,由於電子學的發展,用克爾盒、諧振腔、光電測距儀等方法,光速的測定,比直接用光學方法又提高了一個數量級。

    60年代雷射器發明,運用穩頻雷射器,可以大大降低光速測量的不確定度。

    1973年達0.004 ppm,終於在1983年第十七屆國際計量大會上作出決定,將真空中的光速定為精確值。

  • 2 # 穿透落單的候鳥

    沒有人定,是發現,算出來的。就像很多公理,本來就存在那裡,等著人們去發現。不會因為人們發現或者不發現,它們就會改變,還會一成不變的在那裡。

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