光速

2022-07-26 16:21:34 admin 7

可见光一直都是谜一样,光速究竟有多快?究竟是怎样传输的?

什么是光速?

在外太空的某个地方,距地球数十亿光年,与宇宙大爆炸相关的原始光在继续向外移动时正在开辟新天地。与此形成鲜明对比的是,来自地球的另一种电磁辐射形式,即来自露西秀首场直播节目的无线电波正在深空某处广播首播,尽管幅度大大降低。

这两个事件背后的基本概念都涉及光速(以及所有其他形式的电磁辐射)。

光速有多快

科学家们已经彻底检查过的光速现在被表示为一个常数值,在方程中用符号 c 表示。不是真正的常数,而是真空中的*大速度,以公里为单位的光速,几乎每秒 300,000 公里,可以通过改变介质或量子干涉来操纵。

在均匀物质或介质中传播的光以相对恒定的速度沿直线传播,除非它以某种其他方式折射、反射、衍射或扰动。这个公认的科学事实不是原子时代甚至文艺复兴时期的产物,而是由古希腊学者欧几里得在公元前 350 年左右在其具有里程碑意义的论文 Optica 中提出的。然而,光(和其他电磁辐射)的强度与行进距离的平方成反比。因此,在光经过两次给定距离后,强度下降了四倍。

光在空气和水中的速度有多快?

当穿过空气的光进入不同的介质(如玻璃或水)时,光的速度和波长会降低(见图 2),但频率保持不变。光在折射率为 1.0 的真空中以大约每秒 300,000 公里的速度传播,但在水中速度减慢至每秒 225,000 公里(折射率为 1.3;见图 2)和每秒 200,000 公里(折射率为指数 1.5)。在钻石中,由于具有 2.4 的相当高的折射率,光速降低到相对爬行(每秒 125,000 公里),比其在真空中的*大速度低约 60%。

由于光在星系之间的外太空(见图 1)和银河系内进行了巨大的旅行,因此恒星之间的距离不是以千米为单位,而是以光年为单位,因此光将在一年内旅行。一光年等于 9.5 万亿公里或约 5.9 万亿英里。从地球到离我们太阳*近的恒星比邻星的距离约为 4.24 光年。相比之下,银河系的直径估计约为15万光年,与仙女座星系的距离约为221万光年。这意味着 221 万年前离开仙女座星系的光刚刚到达地球,除非它被反射天体或折射碎片挡住了。

当天文学家凝视夜空时,他们正在观察实时、*近的过去和古代历史的混合体。例如,在先驱巴比伦人、阿拉伯占星家和希腊天文学家描述恒星星座的时期,天蝎座(占星家的天蝎座)仍然有蝎子的鞭尾。该星座中的尾星和其他星体在公元前 500 至 1000 年间以新星的形式出现在天空中,但今天的观星者已看不到它们了。尽管在地球夜空中观察到的一些恒星早已消亡,但携带它们图像的光波仍在到达人眼和望远镜。实际上,由于时间不够,他们毁灭的光芒(以及他们缺席的黑暗)还没有穿过深空的巨大距离。

光速的早期历史

阿克拉加斯的恩培多克勒 (Empedocles of Acragas) 生活在公元前 450 年左右,他是*早有记载的推测光以有限速度传播的哲学家之一。将近一千年后,大约在公元 525 年,罗马学者和数学家阿尼修斯·波伊修斯 (Anicius Boethius) 试图记录光速,但在被指控犯有叛国罪和巫术后,他的科学努力被斩首。自从中国人*早将黑火药用于烟花和信号灯以来,人们就对光速产生了疑问。光与色的闪动比爆炸声早了几秒,不用认真计算,光速明显超过了音速。

透明材料中的光速

了解当光进入新的透明介质(例如空气、水或玻璃)时,光速如何与材料的折射率成比例地降低。

炸药背后的中国秘密在 13 世纪中叶传到西方,随之而来的是关于光速的问题。在此之前,其他调查人员肯定已经考虑过闪电之后是雷声,这是典型的雷暴,但没有对延迟的性质提供合理的科学解释。阿拉伯学者 Alhazen 是第一位提出光速有限的严肃光学科学家(大约在公元 1000 年),到公元 1250 年,英国光学先驱罗杰培根写道,光速是有限的,但速度非常快。尽管如此,这一时期大多数科学家普遍认为光速是无限的,无法测量。

1572 年,著名的丹麦天文学家第谷·布拉赫 (Tycho Brahe) 第一个描述了发生在仙后座的超新星。在看到一颗“新星”突然出现在天空中,亮度逐渐增强,然后在 18 个月的时间里逐渐消失后,这位天文学家既不解又好奇。这些新颖的天体幻象驱使布拉赫和他的同时代人质疑广为接受的具有无限光速的*和不变宇宙的概念。尽管一些科学家在 16 世纪开始质疑光速,但光具有无限速度的信念很难被取代。迟至 1604 年,德国物理学家约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)推测光速是瞬时的。

Ole Roemer 的光速估计

在望远镜发明和一些相对粗略的改进之后不久,丹麦天文学家奥勒·罗默(1676 年)是第一位严格尝试估计光速的科学家。通过研究木星的卫星 Io 及其频繁的日食,Roemer 能够预测月食周期的周期性(图 3)。然而,几个月后,他注意到随着时间间隔的增加,他的预测逐渐变得不准确,*大误差达到约 22 分钟(考虑到光在该时间段内传播的距离,这是一个相当大的差异)。然后,同样奇怪的是,他的预测在几个月后再次变得更加准确,循环不断重复。在巴黎天文台工作,Roemer 很快意识到观察到的差异是由地球和木星之间距离的变化引起的,这是由于行星的轨道路径。随着木星远离地球,光的传播距离更长,到达地球需要更多时间。应用相对不准确的计算得出的地球和木星之间在此期间可用的距离,罗默能够估计光速约为每秒 137,000 英里(或 220,000 公里)。图 3 展示了 Roemer 对原始图纸的复制,描绘了他用于确定光速的方法。应用相对不准确的计算得出的地球和木星之间在此期间可用的距离,罗默能够估计光速约为每秒 137,000 英里(或 220,000 公里)。图 3 展示了 Roemer 对原始图纸的复制,描绘了他用于确定光速的方法。应用相对不准确的计算得出的地球和木星之间在此期间可用的距离,罗默能够估计光速约为每秒 137,000 英里(或 220,000 公里)。图 3 展示了 Roemer 对原始图纸的复制,描绘了他用于确定光速的方法。

Roemer 的工作轰动了科学界,许多研究人员开始重新考虑他们对无限光速的猜测。例如,艾萨克·牛顿爵士在其 1687 年具有里程碑意义的论文 Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica(自然哲学的数学原理)中写道,“因为现在从木星卫星的现象中可以肯定,不同天文学家的观察证实了光的传播连续,从太阳到地球需要大约七八分钟”,这实际上是对正确光速的非常接近的估计。牛顿受人尊敬的观点和广泛的声誉有助于启动科学革命,并帮助科学家发起了新的研究,这些科学家现在认可光速是有限的。

詹姆斯布拉德利的光速估计

下一位对光速提供有用估计的人是英国物理学家詹姆斯布拉德利。1728 年,也就是牛顿死后一年,布拉德利利用恒星像差估计真空中的光速约为每秒 301,000 公里。这些现象表现为由于地球围绕太阳运动而导致的恒星位置的明显变化。恒星像差的程度可以根据地球轨道速度与光速之比来确定。通过测量恒星像差角并将该数据应用于地球的轨道速度,布拉德利能够得出非常准确的估计。

1834 年,万花筒的发明者、声音科学的先驱查尔斯·惠斯通爵士试图测量电的速度。惠斯通发明了一种装置,该装置利用旋转镜和通过莱顿罐的电容放电来产生和计时通过近八英里电线的火花运动。不幸的是,他的计算(可能还有他的仪器)错误到了如此程度,以至于惠斯通估计电的速度为每秒 288,000 英里,这个错误使他相信电比光传播得更快。惠斯通的研究后来被法国科学家多米尼克·弗朗索瓦·让·阿拉戈扩展。尽管他在 1850 年视力衰竭之前未能完成他的工作,但阿拉戈正确地假设光在水中的传播速度比空气中的慢。

斐索和福柯的光速实验

与此同时,在法国,竞争对手阿尔芒·费索和让-伯纳-里昂·福柯利用阿拉戈的发现并扩展惠斯通的旋转镜仪器设计,独立尝试测量光速,而不依赖天体事件。1849 年,Fizeau 设计了一种装置,该装置将光束通过齿轮(而不是旋转镜)发射到位于 5.5 英里外的固定镜上。通过快速旋转轮子,他能够在向外的旅程中引导光束穿过两个齿之间的间隙,并在返回的途中捕捉到相邻间隙中的反射光线。有了脉冲光的轮速和行进距离,菲索就能够计算出光速。

福柯使用由压缩空气涡轮驱动的快速旋转镜来测量光速。在他的装置中(见图 4),一束窄光束穿过一个孔径,然后穿过一个带有精细刻度的玻璃窗(也用作分束器),然后撞击在快速旋转的镜子上。从旋转镜反射的光被引导通过一组呈锯齿形图案的固定镜,旨在将仪器的路径长度增加到约 20 米,而尺寸不会相应增加。在光线通过一系列镜子反射并返回到旋转镜子所花费的时间里,镜子位置发生了轻微的变化。随后,显微镜安装在仪器上。可以通过显微镜看到并记录光的微小变化。通过分析从他的实验中收集的数据,福柯能够计算出光速为每秒 298,000 公里(约每秒 185,000 英里)。

福柯装置中的光路足够短,可用于测量通过空气以外的介质的光速。他发现水或玻璃中的光速只有空气中光速的三分之二左右,他还得出结论,光通过给定介质的速度与折射率成反比。这一非凡的结果与数百年前光传播波动理论对光行为的预测是一致的

迈克尔逊和莫雷的光速仪

在福柯的带领下,一位名叫阿尔伯特·A·迈克尔逊的波兰出生的美国物理学家试图提高该方法的准确性,并于 1878 年成功地测量了光速,并在 1878 年使用更复杂版本的仪器沿着岸边 2000 英尺的墙壁成功地测量了光速英格兰的塞文河。迈克尔逊投资购买高质量的透镜和镜子,以在比福柯使用的路径更长的路径上聚焦和反射光束,计算出的*终结果为每秒 186,355 英里(每秒 299,909 公里),考虑到可能存在的误差为大约每秒 30 英里。由于他的实验设计更加复杂,迈克尔逊的测量精度比福柯的测量精度高 20 多倍。

在 1800 年代后期,大多数科学家仍然相信光利用称为以太的载体介质在太空中传播。迈克尔逊于 1887 年与科学家爱德华莫利合作,设计了一种通过观察地球绕太阳公转时光速的相对变化来探测以太的实验方法。为了实现这一目标,他们设计了一种干涉仪,该干涉仪使用复杂的反射镜阵列将光束分开并重新引导各个光束通过两条不同的路径,每条路径的长度都超过 10 米。迈克尔逊和莫雷推断,如果地球正在穿过以太介质,那么垂直于以太流来回反射的光束必须比平行于以太反射的光束传播得更远。

迈克尔逊和莫雷建造的实验装置非常庞大(见图 5)。该仪器安装在一块超过 5 平方英尺、14 英寸厚的缓慢旋转的石板上,并受到底层水银池的进一步保护,水银池充当无摩擦的减震器,以消除地球的振动。一旦平板开始运动,达到每小时 10 转的*高速度,就需要几个小时才能再次停下来。穿过分束器并被反射镜系统反射的光用显微镜检查干涉条纹,但没有观察到。然而,迈克尔逊利用他的干涉仪准确地确定了每秒 186,320 英里(每秒 299,853 公里)的光速,该值成为未来 25 年的标准。

爱因斯坦的狭义相对论和光速

1905 年,爱因斯坦发表了他的狭义相对论,随后在 1915 年发表了广义相对论。第一个理论与物体以恒定速度相对运动有关,而第二个理论则关注加速度及其与重力的联系。因为他们挑战了许多长期存在的假设,例如艾萨克牛顿运动定律,爱因斯坦的理论是物理学中的一股革命性力量。相对论的思想体现了物体的速度只能相对于观察者的位置来确定的概念。例如,在飞机的参考系(飞机本身以每小时 600 英里的速度移动)中,一个人在客机内行走似乎以每小时 1 英里的速度飞行。然而,对于地面上的观察者来说,这个人似乎以每小时 601 英里的速度移动。

爱因斯坦在他的计算中假设光在两个参考系之间传播的速度对于两个位置的观察者来说都是相同的。因为在一帧中的观察者使用光来确定另一帧中物体的位置和速度,这改变了观察者关联物体位置和速度的方式。爱因斯坦利用这个概念推导出了几个重要的公式,这些公式描述了当从相对于第一个匀速运动的另一个参照系观察时,一个参照系中的物体是如何出现的。他的结果导致了一些不寻常的结论,尽管只有当物体的相对速度接近光速时,效果才会变得明显。总之,爱因斯坦的基本理论和他经常引用的相对论方程的主要含义:

E = mc 2

可以总结如下:

  • 相对于观察者,物体的长度随着该物体速度的增加而减小。

  • 当参考系移动时,时间间隔会变短。换句话说,以光速或接近光速移动的太空旅行者可能会离开地球多年,并在经历了几个月的时间流逝后返回。

  • 运动物体的质量随着其速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量接近无穷大。出于这个原因,人们普遍认为,以超过光速的速度行进是不可能的,因为要加速无限大的质量需要无限量的能量。

尽管爱因斯坦的理论影响了整个物理学界,但它对那些研究光的科学家有着特别重要的意义。该理论解释了为什么 Michelson-Morley 实验未能产生预期结果,阻碍了对以太作为载体介质的性质进行进一步认真的科学研究。它还证明了在真空中没有任何东西可以比光速移动得更快,而且这个速度是一个恒定不变的值。与此同时,实验科学家继续使用越来越复杂的仪器将光速的正确值归零,并减少测量误差。

光速的测量

表格1
日期研究者方法估计公里/秒
 
1667伽利略·伽利雷有盖灯笼333.5
1676奥莱·罗默木星的卫星220,000
1726詹姆斯布拉德利恒星畸变301,000
1834查尔斯·惠斯通旋转镜402,336
1838弗朗索瓦·阿拉戈旋转镜
1849阿曼德·菲索转轮315,000
1862莱昂·福柯旋转镜298,000
1868詹姆斯·克拉克·麦克斯韦理论计算284,000
1875玛丽-阿尔弗雷德·科努旋转镜299,990
1879阿尔伯特·迈克尔逊旋转镜299,910
1888海因里希·鲁道夫·赫兹电磁辐射300,000
1889爱德华·贝内特·罗莎电气测量300,000
1890年代亨利·罗兰光谱学301,800
1907爱德华·贝内特·罗莎和诺亚·多尔西电气测量299,788
1923安德烈·梅西耶电气测量299,795
1926阿尔伯特·迈克尔逊旋转镜(干涉仪)299,798
1928August Karolus 和 Otto Mittelstaedt克尔单元快门299,778
1932 年至 1935 年迈克尔逊和皮斯旋转镜(干涉仪)299,774
1947路易食品空腔谐振器299,792
1949卡尔·阿斯拉克森查看天气雷达299,792.4
1951基思·戴维·弗鲁姆无线电干涉仪299,792.75
1973肯尼斯·M·埃文森激光299,792.457
1978彼得伍兹和同事激光299,792.4588

在 19 世纪后期,无线电和微波技术的进步提供了测量光速的新方法。1888 年,在罗默开创性的天体观测之后 200 多年,德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹测量了无线电波的速度。赫兹达到每秒接近 300,000 公里的值,证实了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 的理论,即无线电波和光都是电磁辐射的形式。在 1940 年代和 1950 年代,英国物理学家基思·戴维·弗鲁姆 (Keith Davy Froome) 和路易斯·埃森 (Louis Essen) 分别使用无线电和微波来更精确地测量电磁辐射的速度,获得了更多证据。

麦克斯韦也因定义光速和其他形式的电磁辐射而受到赞誉,不是通过测量,而是通过数学推论。在他试图找到电和磁之间联系的研究中,麦克斯韦提出了一个理论,即不断变化的电场会产生磁场,这是法拉第定律的反向推论。他提出电磁波是由振荡的电波和磁波组合而成,并计算出这些波在空间中的速度为:

速度 (V) = 1 / (ε • µ) 1/2

其中 ε 是介电常数,μ 是自由空间的磁导率,这两个常数可以以相对较高的精度进行测量。结果是一个非常接近测量光速的值。

1891 年,迈克尔逊继续他对光速和天文学的研究,使用加利福尼亚利克天文台的折射望远镜制造了一个大型干涉仪。他的观察是基于在观察遥远物体(例如恒星)时光到达时间的延迟,可以通过定量分析来测量天体的大小和光速。将近 30 年后,迈克尔逊将他的实验转移到威尔逊山天文台,并将相同的技术应用于当时世界上*大的 100 英寸望远镜。

通过在他的实验设计中加入八角形旋转镜,迈克尔逊得出了每秒 299,845 公里的光速值。尽管迈克尔逊在完成实验之前就去世了,但他在威尔逊山的同事弗朗西斯·皮斯 (Francis G. Pease) 继续采用这种创新技术进行研究,直到 1930 年代。皮斯使用改进的干涉仪进行了数年的多次测量,*终确定光速的正确值为每秒 299,774 公里,这是迄今为止*接近的测量值。几年后的 1941 年,科学界为光速设定了标准。这个值为每秒 299,773 公里,是基于该时期*准确测量结果的汇编。

到 1960 年代后期,激光已成为具有高度定义的频率和波长的稳定研究工具。很快就很明显,同时测量频率和波长会产生非常准确的光速值,类似于 1958 年基思戴维弗鲁姆使用微波进行的实验方法。 美国和其他国家的几个研究小组各国通过碘稳定的氦氖激光器测量了 633 纳米线的频率,并获得了高度准确的结果。1972 年,美国国家标准与技术研究所采用激光技术测量了每秒 299,792,458 米(186,282 英里/秒)的速度,*终通过对光速的高度准确估计重新定义了仪表。

从罗默 1676 年的突破性努力开始,100 多名研究人员使用各种不同的技术至少测量了 163 次光速(有关方法、研究人员和日期的汇编,请参见表 1)。随着科学方法和设备的改进,估计的误差范围缩小了,尽管自罗默 17 世纪的计算以来,光速并没有显着变化。1983 年,在第一次认真的测量尝试之后的 300 多年里,第十七次度量衡大会将光速定义为每秒 299,792.458 公里。因此,米定义为光在 1/299,792,458 秒的时间间隔内传播的距离。不过总的来说,(即使在许多科学计算中)光速四舍五入为每秒 300,000 公里(或 186,000 英里)。达到光速的标准值对于建立国际单位系统很重要,该系统将使来自世界各地的科学家能够比较他们的数据和计算。

对于是否存在证据表明自大爆炸以来光速一直在减慢,正如一些研究人员所建议的那样,光速可能已经明显加快了,这一点存在温和的争议。尽管提出和反驳的论点使这场辩论延续下去,但大多数科学家仍然认为光速是一个常数。物理学家指出,罗默和他的追随者测量的实际光速没有显着变化,而是指出科学仪器的一系列改进与用于确定光速的测量精度的提高有关。今天,木星和地球之间的距离、太阳系的直径和行星的轨道轨迹都以高度准确的方式为人所知。