本页使用了标题或全文手工转换

光速

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
光速
从太阳到地球的距离显示为1.5亿公里,一个近似的平均值,尺寸是按实际比例缩小。
阳光要花费大约8分19秒才能到达地球(基于平均距离)。
确切值
米每秒 299,792,458
普朗克单位制 1
近似值
公里每秒 300,000
公里每小时 1,080百万
英里每秒 186,000
英里每小時 671百万
天文单位每天 173
近似的光信号旅行时间
距离 时间
英尺 1.0 ns
3.3 ns
地球静止轨道到地球 119 ms
地球赤道的长度 134 ms
月球到地球 1.3 s
太阳地球(1 AU 8.3 min
最近的恒星到太阳(1.3 pc 4.2年
从最近的星系大犬座矮星系)到地球 25,000年
横跨银河系 100,000年
仙女座星系到地球 2.5百万年

光速,即光波传播的速度[1]真空中的光速是一个重要的物理常数,符号为c(来自拉丁语中的celeritas,意为迅捷),c不仅仅是可见光的传播速度,也是所有电磁波在真空中的传播速度。

真空中的光速等于299,792,458米/秒(1,079,252,848.8千米/小时)[2]。这个速度并不是一个测量值,而是一个定义。它的计算值为(299792500±100)米/秒。国际单位制的基本单位于1983年10月21日起被定义为光在1/299,792,458秒内传播的距离。使用英制单位,光速约为186,282.397英里/秒,或者670,616,629.384英里/小时,约为1英尺/纳秒

在任何透明或者半透明的介质(比如玻璃)中,光速会降低;c比光在某种介质中的速度就是这种介质的折射率。重力的改变能够弯曲光所传播的空间,使光像通过凸透镜一样发生弯曲,看上去绕过了质量较大的天体。光弯曲的现象叫做引力透镜效应,根据变化了的光线在光谱外波段呈现的不规则程度,可以推算發光星系的年龄和距离。

根据爱因斯坦相对论,没有任何物体或信息运动的速度可以超过真空中的光速(c)。

奧勒·羅默在1676年凭借研究木星的衛星木卫一的蝕第一次表明了光是以有限的速度(而不是立刻地)在传播,並且首先測定光速。在1865年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出光是一种电磁波,因此在他的电磁理论中应该以速度“c”来传播。[3]在1905年,阿尔伯特·爱因斯坦假定光速就任何惯性系而言,是独立于光源的运动的。[4]他还通过推导狭义相对论探索了这个假设的后果。结果显示参数“c”在光和电磁背景之外有相关性。经过几个世纪的越来越精确的测量,光的速度在1975年被得知为299,792,458 m/s(有十亿分之四的测量误差)。1983年,在国际单位制被重新定义为光在真空中传播1299,792,458的距离。因此根据米的定义,“c”以米每秒所表示的数值就被固定下来。[5]

光速的物理[编辑]

接近光速情况下,笛卡尔座标系不再适用。同樣測量光線離開自己的速度,一個快速追光的人與一個靜止的人會測得相同的速度(光速)。這與日常生活中對速度的概念有異。兩車以50km/h的速度迎面飛馳,司機會感覺對方的車以50 + 50 = 100km/h行駛,即與自己靜止而對方以100km/h迎面駛來的情況無異。但當速度接近光速時,簡單加法計算速度不再奏效。當兩飛船以90%光速的速度(對第三者來說)迎面飛行時,船上的人不會感覺對方的飛船以90% + 90% = 180%光速速度迎面飛來,而只是以稍低於99.5%的光速速度行駛。結果可從愛因斯坦計算速度的算式得出:

u = {v + w \over 1 + v w / c^2}

其中v和w是對第三者來說飛船的速度,u是感受的速度,c是光速。

介質中的光速[编辑]

一个从左到右移动的调制波。图中有三个点。一个蓝色的点,在载波节点上;一个绿色的点,位于群的最大值处;一个红色的点,位于波前。
图中蓝点以相速度移动,绿点以群速度移动,而红点以波前速度移动

折射率大于1时,有两种情况,群速度低于 c相速度高于 c; 折射率小于1时,相速度高于 c群速度低于 c; 右图为折射率大于1的情形。

超光速[编辑]

OPERA的此次实验由位于意大利中部山区的格兰萨索国家实验室

格蘭沙索國家實驗室LNGS)与瑞士日内瓦欧洲核子研究组织合作进行,实验结果基于对16,111次中微子测量事件的观察,标示出了中微子的旅行速度超出光速40322.58分之一,为现实中宇宙速度的极限。但是隨後便發現,該實驗結果為設備線路接錯而造成。该实验结果于2012年6月8日被该小组宣布撤销[6]

光速的測量[编辑]

最早光速的准确数值是通过观测木星对其卫星的掩食测量的。还有旋转齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。

根據現代物理學,所有電磁波,包括可見光,在真空中的速度是常數,即是光速。强相互作用电磁作用弱相互作用傳播的速度都是光速,根据廣義相對論万有引力傳播的速度也是光速,且已于2003年得以证实。根據電磁學的定律,發放電磁波的物件的速度不會影響電磁波的速度。結合相對性原則,觀察者的參考坐標和發放光波的物件的速度不會影響被測量的光速,但会影响波长而产生红移蓝移。這是狹義相對論的基礎。相對論探討的是光速而不是光,就算光稍微減慢,也不會影響狹義相對論。

光線從地球到月球僅需約1.255秒

早期[编辑]

一些早期的物理学家,包括弗蘭西斯·培根約翰內斯·克卜勒勒內·笛卡兒在內[7],都普遍认为光速是无限的。艾薩克·畢克曼最早在1629年提出一項試驗,一人將閃光燈反映一面鏡子,約一英里,以测量光速。伽利略認為光速是有限的,1638年他請二個人提燈籠各爬上相距僅約一公里的山上,第一个人掀開燈籠,並開始計時,對面山上的人看見亮光後掀開燈籠,第一个人看見亮光後,停止計時。這是史上著名的測量光速的掩燈方案,但由于光速实在太快,所以实验没有成功。

天文观测法[编辑]

羅默從地球觀測木衛一的掩蔽來測量光速。

1676年,奧勒·羅默使用望遠鏡研究木星的衛星艾歐運動,首先測定光速。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(圖中的C至D)。羅默觀測到當地球在最接近木星時(H點),艾歐的公轉週期是42.5小時,當地球遠離木星時(從L至K),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"信號"要花更多的時間傳遞。光要通過行星之間增加的距離,使得計時的信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(從F到G),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22分鐘[8]。羅默以這些觀測為基礎,認為在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。這意味著從L至K和F至G,地球經歷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:

80\times \frac{42.5\,{\rm hours}}{22\,{\rm minutes}} \approx 9,300.

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,相差無幾。

天文單位在當時的估計數值是大約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光速每分鐘的速度是地球直徑的1,000倍,他似乎誤解羅默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26%,但仍比當時使用其他已知的物理方法測得的數值為佳。

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,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數據)。羅默隨後依據同樣的原理觀察木星表面上的斑點在自轉週期上的變化,也觀察其他三顆伽利略衛星的相同現象。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。.

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(包括著名科學家吉恩·多米尼克·卡西尼),直到在詹姆斯·布拉德雷(1728)的觀測之後,光速是無限的想法才被揚棄。布雷德里推論若光速是有限的,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,它的大小只有1/200度。布雷德里計算的光速為298,000公里/秒(185,000英里/秒),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·雅可夫列维奇·斯特鲁维de:Magnus Nyrén

机械测量[编辑]

1849年,阿曼德·斐索旋轉齒輪法求得c = 3.153×108 m/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:

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,從而根據齒輪的轉速計算出光速。

1862年,萊昂·傅科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c = 2.98 × 108 m/s。

第三位在地面上測到光速的是马里·阿尔弗雷德·考纽。1874年他改進了斐索的旋轉齒輪法,得c = 2.9999 × 108 m/s。

阿爾伯特·邁克生改良傅科的旋轉鏡法,多次測量光速。1879年,得c = (2.99910±0.00050) ×108 m/s;1882年得c = (2.99853±0.00060) × 108 m/s。

後來,他綜合旋轉鏡法和旋轉齒輪法的特點,發展旋轉稜鏡法,1924~1927年間,得c = (2.99796±0.00004) × 108 m/s。

邁克生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年被伯奇發覺,經改正後,1926年的結果應為c = (2.99798±0.00004) × 108 m/s = 299798±4 km/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

光速测量年表[编辑]

年份 主持人 方式 光速(km/s) 不確定度(km/s)
1675 奧勒·羅默 木星卫星 220 000
1849 阿曼德·斐索 旋轉齒輪法 315 300
1862 萊昂·傅科 旋轉鏡法 298 000 500
1907 RosaDorsey ESU/EMU¥ 299 784 15
1928 Karolus 克爾盒 299 786 15
1947 Essen 諧振腔 299 792 4
1949 Aslakson 雷達 299 792.4 2.4
1951 Bergstand 光電測距儀 299 793.1 0.26
1954 Froome 微波干涉儀 299 792.75 0.3
1964 Rank 帶光譜 299 792.8 0.4
1972 Bay 穩頻氦氖雷射器 299 792.462 0.018
1973 平差 299 792.4580 0.0012
1974 Blaney 穩頻CO2雷射器 299 792.4590 0.0006
1976 Woods 299 792.4588 0.0002
1980 Baird 穩頻氦氖雷射器 299 792.4581 0.0019
1983 國際協議 規定 299 792.458 0 (精確值)

¥ESU为Electrostatic Units的縮寫
¥EMU为Electromagnetic Units的縮寫

参考文献[编辑]

引用[编辑]

  1. ^ 现代汉语词典 第五版. 商务印书馆. 2005. ISBN 9787100043854. 
  2. ^ 国際度量衡局. Unit of length(metre). SI brochure, Section 2.1.1.1. 国際度量衡局. [2007-11-28]. 
  3. ^ How is the speed of light measured?. 1997 [2012-08-04]. 
  4. ^ Stachel, JJ. Einstein from "B" to "Z" – Volume 9 of Einstein studies. Springer. 2002: 226. ISBN 0-8176-4143-2. 
  5. ^ International Bureau of Weights and Measures, The International System of Units (SI) 8th, 112, 2006, ISBN 92-822-2213-6 
  6. ^ 科学家撤销中微子超光速实验结果
  7. ^ MacKay, RH; Oldford, RW. Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light. Statistical Science. 2000, 15 (3): 254–78. doi:10.1214/ss/1009212817. 
  8. ^ Teuber, Jan, Ole Rømer og den bevægede Jord – en dansk førsteplads?// (编) Friedrichsen, Per; Henningsen, Ole; Olsen, Olaf; Thykier, Claus; Tortzen, Chr. Gorm, Ole Rømer – videnskabsmand og samfundstjener, Kroppedal, Studier i astronomi, Nyere tid, Arkæologi, Gads, 217–219, 2004, ISBN 87-12-04139-4 (丹麦文) 

书目[编辑]

  • 王先鎔 譯,Franeis A. Jenkns & Harvey E. Wbite 著:《光學原理》,正中書局,1967。
  • 譚繼山 編譯:《雷射與光纖通信》,亞太出版社,1985。
  • 陳德請、邱創乾、林宸生:《數位信號處理實務入門》,高利出版社。
  • 林宸生:《數位信號-影像與語音處理》,全華出版社,1997。

外部链接[编辑]

参見[编辑]