光速

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光速
從太陽到地球的距離顯示為1.5億公里,一個近似的平均值,尺寸是按實際比例縮小。
陽光要花費大約8分19秒才能到達地球(基於平均距離)。
確切值
米每秒 299,792,458
普朗克單位制 1
近似值
公里每秒 300,000
公里每小時 1,080百萬
英里每秒 186,000
英里每小時 671百萬
天文單位每天 173
近似的光信號旅行時間
距離 時間
英尺 1.0 ns
3.3 ns
地球靜止軌道到地球 119 ms
地球赤道的長度 134 ms
月球到地球 1.3 s
太陽地球(1 AU 8.3 min
最近的恆星到太陽(1.3 pc 4.2年
從最近的星系大犬座矮星系)到地球 25,000年
橫跨銀河系 100,000年
仙女座星系到地球 2.5百萬年

光速,即光波傳播的速度[1]真空中的光速是一個重要的物理常數,符號為c(來自拉丁語中的celeritas,意為迅捷),c不僅僅是可見光的傳播速度,也是所有電磁波在真空中的傳播速度。

真空中的光速等於299,792,458米/秒(1,079,252,848.8千米/小時)。[2]這個速度並不是一個測量值,而是一個定義。它的計算值為(299792500±100)米/秒。國際單位制的基本單位於1983年10月21日起被定義為光在1/299,792,458秒內傳播的距離。使用英制單位,光速約為186,282.397英里/秒,或者670,616,629.384英里/小時,約為1英尺/納秒

在任何透明或者半透明的介質(比如玻璃)中,光速會降低;c比光在某種介質中的速度就是這種介質的折射率。重力的改變能夠彎曲光所傳播的空間,使光像通過凸透鏡一樣發生彎曲,看上去繞過了質量較大的天體。光彎曲的現象叫做重力透鏡效應,根據變化了的光線在光譜外波段呈現的不規則程度,可以推算發光星系的年齡和距離。

根據愛因斯坦相對論,沒有任何物體或信息運動的速度可以超過真空中的光速(c)。

奧勒·羅默在1676年憑藉研究木星的衞星木衛一的蝕第一次表明了光是以有限的速度(而不是立刻地)在傳播,並且首先測定光速。在1865年,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出光是一種電磁波,因此在他的電磁理論中應該以速度「c」來傳播。[3]在1905年,阿爾伯特·愛因斯坦假定光速就任何慣性系而言,是獨立於光源的運動的。[4]他還通過推導狹義相對論探索了這個假設的後果。結果顯示參數「c」在光和電磁背景之外有相關性。經過幾個世紀的越來越精確的測量,光的速度在1975年被得知為299,792,458 m/s(有十億分之四的測量誤差)。1983年,在國際單位制被重新定義為光在真空中傳播1299,792,458的距離。因此根據米的定義,「c」以米每秒所表示的數值就被固定下來。[5]

光速的物理[編輯]

接近光速情況下,笛卡爾座標系不再適用。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[編輯]

一個從左到右移動的調製波。圖中有三個點。一個藍色的點,在載波節點上;一個綠色的點,位於群的最大值處;一個紅色的點,位於波前。
圖中藍點以相速度移動,綠點以群速度移動,而紅點以波前速度移動

折射率大於1時,有兩種情況,群速度低於 c相速度高於 c; 折射率小於1時,相速度高於 c群速度低於 c; 右圖為折射率大於1的情形。

超光速[編輯]

OPERA的此次實驗由位於意大利中部山區的格蘭薩索國家實驗室

格蘭沙索國家實驗室LNGS)與瑞士日內瓦歐洲核子研究組織合作進行,實驗結果基於對16,111次微中子測量事件的觀察,標示出了微中子的旅行速度超出光速40322.58分之一,為現實中宇宙速度的極限。但是隨後便發現,該實驗結果為設備線路接錯而造成。該實驗結果於2012年6月8日被該小組宣布撤銷[6]

光速的測量[編輯]

最早光速的準確數值是通過觀測木星對其衛星的掩食測量的。還有旋轉齒輪法、轉鏡法、克爾盒法、變頻閃光法等光速測量方法。

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。強相互作用電磁作用弱相互作用傳播的速度都是光速,根據廣義相對論萬有引力傳播的速度也是光速,且已於2003年得以證實。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,但會影響波長而產生紅移藍移。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[編輯]

一些早期的物理學家,包括弗蘭西斯·培根約翰內斯·開普勒勒內·笛卡兒在內[7],都普遍認為光速是無限的。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,以測量光速。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,第一個人掀開燈籠,並開始計時,對面山上的人看見亮光後掀開燈籠,第一個人看見亮光後,停止計時。這是史上著名的測量光速的掩燈方案,但由於光速實在太快,所以實驗沒有成功。

天文觀測法[編輯]

羅默從地球觀測木衞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衞星艾歐運動,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。這意味着從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着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.

意味着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衞星的相同現象。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,靠着這些觀測,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·布雷德里(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·雅可夫列維奇·斯特魯維de:Magnus Nyrén

機械測量[編輯]

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考爾紐(M.A.Cornu)。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年代激光器發明,運用穩頻激光器,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

光速測量年表[編輯]

年份 主持人 方式 光速(km/s) 不確定度(km/s)
1675 奧勒·羅默 木星衛星 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 穩頻氦氖激光器 299 792.462 0.018
1973 平差 299 792.4580 0.0012
1974 Blaney 穩頻CO2激光器 299 792.4590 0.0006
1976 Woods 299 792.4588 0.0002
1980 Baird 穩頻氦氖激光器 299 792.4581 0.0019
1983 國際協議 規定 299 792.458 0 (精確值)

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

注釋和參考資料[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 現代漢語詞典 第五版. 商務印書館. 2005. ISBN 9787100043854. 
  2. ^ 國際度量衡局. Unit of length(metre). SI brochure, Section 2.1.1.1. 國際度量衡局. [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. 2006:  112, ISBN 92-822-2213-6 
  6. ^ 科學家撤銷微中子超光速實驗結果
  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?//Friedrichsen, Per; Henningsen, Ole; Olsen, Olaf; Thykier, Claus; Tortzen, Chr. Gorm, Ole Rømer – videnskabsmand og samfundstjener, Kroppedal, Studier i astronomi, Nyere tid, Arkæologi, Gads. 2004:  217–219, ISBN 87-12-04139-4  (丹麥文)

參考書目[編輯]

  • 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,《激光與光纖通信》,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

參見[編輯]

外部連結[編輯]