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光速也是光的重要參數，對它的測定在光學的發(fā)展史上具有非常特殊而重要的意義，不僅推動了光學實驗深入發(fā)展，也打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念。在物理學理論研究的發(fā)展里程中，光速的測定又為粒子說和波動說的爭論提供了判定依據，而且最終推動了愛因斯坦相對論理論的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。

光速是如何被測量的

測量光速的序幕

在光速的問題上物理學界曾經產生過爭執(zhí)，開普勒和笛卡爾都認為光的傳播不需要時間，是在瞬時進行的。伽利略認為光的傳播速度雖然異常快，但可以測定的。1607年，伽利略進行了最早的測量光速實驗。伽利略的測量方法是，讓兩個人分別站在相距1.6093km的兩座山頂上，每個人拿一盞燈，第一個人先舉起燈，當第二個人看到第一個人的燈時立即舉起自己的燈，從第一個人舉起燈到他看到第二個人的燈的時間間隔就是光在兩地傳播的時間，再根據兩地的距離便可以得到光的傳播速度。不過，由于光傳播的速度實在是太快，加之觀察者還要有一定的反應時間，所以伽利略的嘗試沒有成功，但伽利略的實驗卻是揭開了人類歷史上對光傳播速度進行測量研究的序幕。

天文測量法

1676年，丹麥天文學家羅默第一次提出了比較有效的光速測量方法。任何周期性的變化過程都可當做“時鐘”，他成功地找到了離地球非常遙遠的木星這只時鐘:木星每隔一定周期所出現(xiàn)的一次衛(wèi)星蝕。他在觀察時注意到連續(xù)兩次衛(wèi)星蝕相隔的時間，當地球背離木星運動時，比地球迎向木星運動時要長一些，時間差大約15s。羅默通過觀察從木星的衛(wèi)星蝕時間變化和地球軌道直徑求出了光速:每秒214300km。這個數值離光速的準確值相差很大，但這并非測量方法不對，主要是當時知道的地球軌道半徑只是近似值，同時測量衛(wèi)星蝕周期不夠準確。后來科學家用照相方法測量木星衛(wèi)星蝕的時間，并在地球軌道半徑測量準確度提高后，用羅默法求得光的傳播速度是每秒299840士60km，很接近于現(xiàn)代實驗室所測定的精確數值。

通過觀察木星掩食木衛(wèi)一的時間來判斷光速

1728年，英國天文學家布萊德雷采用恒星的光行差法測量出光的傳播速度。布萊德雷在地球上觀察恒星時，發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化，在一年之內，所有恒星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運行了一周。他認為這種現(xiàn)象的產生是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內，地球已因公轉而發(fā)生了位置變化，他由此測得光速為每秒299930km。

齒輪測量法

1849年，法國科學家菲索第一次利用設計的實驗裝置測定光傳播速度，他的測量原理與伽利略的相類似。他將一個點光源放在透鏡的焦點處，在透鏡與光源之間放一個齒輪，在透鏡的另一側較遠處依次放置另一個透鏡和一個平面鏡，平面鏡位于第二個透鏡的焦點處。點光源發(fā)出的光經過齒輪和透鏡后變成平行光，平行光經過第二個透鏡后又在平面鏡上聚于一點，在平面鏡上反射后按原路返回。由于齒輪有齒隙和齒，當光通過齒隙時觀察者就可以看到返回的光，當光恰好遇到齒時便會被遮住。從開始到返回的光第一次消失的時間就是光往返一次所用的時間，根據齒輪的轉速，這個時間是不難求出。通過這種方法，菲索測得的光速是每秒315000km。由于齒輪有一定的寬度，所以用這種方法很難精確地測出光傳播速度。

斐索-傅科儀示意圖

1850年，法國物理學家傅科改進了菲索的方法，他只用一個透鏡、一面旋轉的平面鏡和一個凹面鏡。平行光通過旋轉的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上，同樣用平面鏡的轉速可以求出光束往返時間，用這種方法測出的光速是每秒298000km。

微波測量法

光波是電磁波譜中的一小部分，科學家對電磁波譜中的每一種電磁波參數都進行了精密的測量。1950年，艾森提出了用空腔共振法來測量光速。測量原理是:微波通過空腔時，當它的頻率為某一值時將發(fā)生共振，共振波長λ與共振腔的圓周長R的關系為：

R=2.404825λ

再根據波長與頻率的乘積便得到光速。通過準確測量共振腔的直徑可以確定準確的共振波長，而腔的直徑用干涉法可以準確測量出來，電磁波頻率可以用逐級差頻法精確測定。艾森用他提出的辦法得到的光速為每秒299792.5士1km，測量精度達10?7。

激光測量法

1972年，位于美國科羅拉多州波德的國家標準技術研究所利用激光干涉法測定光速，得出c=299792456.2±1.1m/s，得到測量精度可達10?9，其精度比之前的測量高100倍。由于類似的實驗也得出相近的光速值，所以1983年的第17屆國際計量大會建議把299792458m/s作為光速的數值。

光速測量年表

光速經歷了300多年的測量之旅，終于有了定論。在探究過程中，科學家將理論與實踐、計算與測量完美結合，最終獲得了精準的光速數值。

光速的確定，不僅影響了單位“米”的定義，更是對進一步的研究提供了幫助。像光速、“米”這樣的標準單位看似平淡無奇，但它們卻見證了人類文明的進步?？茖W無所限，人類探索世界的旅程，才剛剛開始。

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光速是如何被測量的原理

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