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第3章 什么是光速

经常听到光速这个名词,那么什么是光速呢?光速指的是光波或电磁波在真空或介质中的传播速度,下面系统地介绍一下光速。

关于光速是多少,有着各种各样的猜测。真空中光速的国际公认值为299792458米/秒,这是一个重要的物理常量。17世纪前,人们普遍认为光速无限大,但这个观点引起了意大利物理学家伽利略的怀疑。伽利略进行了一系列的实验,他试图证明光速并非无限大,但由于他进行的实验过于简单,因此没有取得成功。1676年,丹麦天文学家罗默借助木星卫星的星蚀时间变化,从而证实光是以有限速度传播的,光速无限大这个观点被否认。1727年,英国天文学家布拉得雷对恒星光行差现象加以利用,得出了光速值为303000千米/秒,这在当时是一个了不起的发现。

1849年,法国物理学家菲佐巧妙地运用了旋转齿轮法,并成功地在地面实验室中进行了光速测量,他这次测量得出的光速值为315000千米/秒。1862年,法国实验物理学家傅科对旋转镜加以利用,并成功地测得光速值为298000±500千米/秒。19世纪中叶,英国物理学家麦克斯韦建立了电磁场理论,他根据这个理论取得了重要的发现,即电磁波在真空中的传播速度与静电单位电量和电磁单位电量的比值相等,因此只要测量出静电单位电量和电磁单位电量的比值,就可以得出电磁波的波速。1856年,德国科学家科尔劳施和韦伯对静电单位电量和电磁单位电量进行了测量,通过计算他们得出电磁波在真空中的波速值为3.1074×105千米/秒,这个数值非常接近菲佐测量的光速值,这让人们想到光可能也是一种电磁波。

1926年,美国物理学家迈克耳孙对傅科的旋转镜法实验进行了改进,从而得出了299796±4千米/秒的光速值。1929年,迈克孙耳在真空中将这个实验重新做了一遍,这次实验得到了299774千米/秒的光速值。关注这个实验的人越来越多,菲佐的实验也被人加以改进,这项改进主要是原来的旋转齿轮改为了开关,这样实验的精确度就得到了很大的提高。1952年,英国实验物理学家费罗姆创制出了微波干涉仪法,他利用这个方法得到了299792.5±0.1千米/秒的光速值,这个数值曾一度被作为国际推荐值使用,后来由于更精确的数字出现才废除。

1972年,美国科学家埃文森等人对激光频率和真空中的波长进行了直接测量,得出了299792458±1.2米/秒的光速值。1975年,第15届国际计量大会召开,上述光速值在这次大会上成为国际推荐值。1983年,第17届国际计量大会确定299792458米/秒的光速值为规定值。现在光速值已经确定,因此不用再想办法对其进行测量,在我们进行计算的时候,可以直接使用这个规定值,这大大地促进了物理学其他内容的发展。

由于光在不同的介质中有着不同的运行速度,因此不同的介质有不同的光速值。1850年,菲佐对光在水中的运行速度进行了测量,并由此得出光在水中的运行速度比光在空气中的运行速度小。傅科也对光在水中的运行速度进行了测量,他得到了与菲佐相同的结论。现在光速对于我们已经不再是一个谜,而且越来越多的科学之谜将会被解开。