光速是如何被测量的原理-斯玛特激光

光速也是光的重要参数，对它的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义，不仅推动了光学实验深入发展，也打破了光速无限的传统观念。在物理学理论研究的发展里程中，光速的测定又为粒子说和波动说的争论提供了判定依据，而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发现和发展。

光速是如何被测量的

测量光速的序幕

在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间，是在瞬时进行的。伽利略认为光的传播速度虽然异常快，但可以测定的。1607年，伽利略进行了最早的测量光速实验。伽利略的测量方法是，让两个人分别站在相距1.6093km的两座山顶上，每个人拿一盏灯，第一个人先举起灯，当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯，从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光在两地传播的时间，再根据两地的距离便可以得到光的传播速度。不过，由于光传播的速度实在是太快，加之观察者还要有一定的反应时间，所以伽利略的尝试没有成功，但伽利略的实验却是揭开了人类历史上对光传播速度进行测量研究的序幕。

天文测量法

1676年，丹麦天文学家罗默第一次提出了比较有效的光速测量方法。任何周期性的变化过程都可当做“时钟”，他成功地找到了离地球非常遥远的木星这只时钟:木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀。他在观察时注意到连续两次卫星蚀相隔的时间，当地球背离木星运动时，比地球迎向木星运动时要长一些，时间差大约15s。罗默通过观察从木星的卫星蚀时间变化和地球轨道直径求出了光速:每秒214300km。这个数值离光速的准确值相差很大，但这并非测量方法不对，主要是当时知道的地球轨道半径只是近似值，同时测量卫星蚀周期不够准确。后来科学家用照相方法测量木星卫星蚀的时间，并在地球轨道半径测量准确度提高后，用罗默法求得光的传播速度是每秒299840士60km，很接近于现代实验室所测定的精确数值。

通过观察木星掩食木卫一的时间来判断光速

1728年，英国天文学家布莱德雷采用恒星的光行差法测量出光的传播速度。布莱德雷在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周。他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置变化，他由此测得光速为每秒299930km。

齿轮测量法

1849年，法国科学家菲索第一次利用设计的实验装置测定光传播速度，他的测量原理与伽利略的相类似。他将一个点光源放在透镜的焦点处，在透镜与光源之间放一个齿轮，在透镜的另一侧较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜，平面镜位于第二个透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点，在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿，当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光，当光恰好遇到齿时便会被遮住。从开始到返回的光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间，根据齿轮的转速，这个时间是不难求出。通过这种方法，菲索测得的光速是每秒315000km。由于齿轮有一定的宽度，所以用这种方法很难精确地测出光传播速度。

斐索-傅科仪示意图

1850年，法国物理学家傅科改进了菲索的方法，他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上，同样用平面镜的转速可以求出光束往返时间，用这种方法测出的光速是每秒298000km。

微波测量法

光波是电磁波谱中的一小部分，科学家对电磁波谱中的每一种电磁波参数都进行了精密的测量。1950年，艾森提出了用空腔共振法来测量光速。测量原理是:微波通过空腔时，当它的频率为某一值时将发生共振，共振波长λ与共振腔的圆周长R的关系为：

R=2.404825λ

再根据波长与频率的乘积便得到光速。通过准确测量共振腔的直径可以确定准确的共振波长，而腔的直径用干涉法可以准确测量出来，电磁波频率可以用逐级差频法精确测定。艾森用他提出的办法得到的光速为每秒299792.5士1km，测量精度达10−7。

激光测量法

1972年，位于美国科罗拉多州波德的国家标准技术研究所利用激光干涉法测定光速，得出c=299792456.2±1.1m/s，得到测量精度可达10−9，其精度比之前的测量高100倍。由于类似的实验也得出相近的光速值，所以1983年的第17届国际计量大会建议把299792458m/s作为光速的数值。

光速测量年表

光速经历了300多年的测量之旅，终于有了定论。在探究过程中，科学家将理论与实践、计算与测量完美结合，最终获得了精准的光速数值。

光速的确定，不仅影响了单位“米”的定义，更是对进一步的研究提供了帮助。像光速、“米”这样的标准单位看似平淡无奇，但它们却见证了人类文明的进步。科学无所限，人类探索世界的旅程，才刚刚开始。

光速是如何被测量的原理

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