光的速度

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光的速度每秒是多少?

 光速指光在真空中的速率,每秒传播30万千米,用科学计数法光速每秒传播3.0 x 108m,用c表示,这是一个大概的值,光准确的速度是299 792 458 m/s,太阳光传播到地球大概需要500s。

光在不同介质传播的速度不一样,在真空中传播是最大的,在水中传播速度大约为在真空中传播速度的3/4,在玻璃中传播速度大约为在真空中传播速度的2/3。

光在其他介质中传播的速度和光在真空中传播的速度c有一个计算关系v=c/n。(v表示光在介质中的传播速度,c表示光在真空中的速度,n表示介质折射率,折射率在高中物理会学到)

光速的测量

光速测量年表

奥勒·罗默于1676年用天文方法首次对光速进行测定。从地球观测,卫星围绕行星公转的周期在地球向其靠近时会缩短,在地球远离它的时候则会加长。光从彼方到达地球所需的时间,在地球距离该行星(及其卫星)最近时,比两者相距最远时更短,此二距离只差就是地球绕日轨道的直径。光运行时间的差异,就会导致卫星公转周期在观测上的差异。罗默在木星和木卫一系统中观察到这种现象,并依此推断光横跨地球轨道直径需要22分钟的时间。

一颗恒星发出的光束落在望远镜的物镜上。光在望远镜内向目镜行进的同时,望远镜向右移动。要使光束沿着望远镜内部行进,望远镜就要向右倾斜,使光源的影像位于实际位置的右边。


光行差:由于光速有限,来自远处的光会因望远镜的移动而产生视觉上位移。

另一个方法是测量光行差。詹姆斯·布拉德雷于18世纪发现并描述这一现象。光行差现象是来自遥远光源的光束速度与观测者速度的矢量和所致。对于移动中的观测者来说,光源的位置会偏离其实际位置。由于地球绕日公转的速度是连续变化的,所以光行差会使恒星的视位置来回移动。根据恒星在天球上位置的最大角度差(最多达20.5弧秒),可以推算出光速和地球公转速率之间的关系。利用一年的已知时长,就可以换算出光从太阳抵达地球所需时间。1729年,布拉德雷用光行差算出,光速比地球公转速率快10,210倍(实际为10,066倍)。

另一种测定光速的方法是在已知距离外放下一面镜子,再量度光到达镜子反射回来的时间。这是阿曼德·斐索和莱昂·傅科发明的斐索-傅科仪的原理。

斐索-傅科仪示意图

斐索把一束光射向8千米以外的一面镜子。在光束的路径上有一个旋转的嵌齿轮。在特定的转速下,光束出去时穿过齿轮的缝隙,回来时又会穿过另一个缝隙。但一旦转速稍微不同,回来的光束就会被轮齿挡住,不能通过。只要知道嵌齿轮和镜子间的距离、轮齿数目及转速,就可计算出光速。

傅科的做法则是用旋转的镜子代替嵌齿轮。由于光在两个方向运行的时候中间的镜子会继续旋转,所以光在出去时和回来时会以不同的角度被中间的镜子反射。只要知道角度之差、镜子的转速和远处镜子的距离,就可算出光速。

光速不变原理

光在真空中的传播速度独立于波源的运动及观测者的惯性参考系。在麦克斯韦电磁理论的推进下,再加上无法证明以太的存在,爱因斯坦1905年首次提出“光速不变”这一公设。自此,这一假设已被众多实验充分地证实了。实验只能验证“双向光速”(如:从光源至一面镜子,再回到光源)是独立于参考系的,但若要测量“单向光速”(如:从光源至某个遥远的探测器),就必须先设定光源和探测器时钟之间的同步化规则。如果选用爱因斯坦同步化规则,单向光速就会按照定义等同于双向光速。狭义相对论就是基于光速不变原理所得出的理论。它的另一个公设为:所有惯性参考系都拥有相同的物理定律。


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