
光速,本来是光子的一个行进速度,但现在被广泛用来测算宇宙尺度的距离,是一个量天尺。一直以来,我们的许多网友都对这个光速有质疑,这个光速是怎么得来的呢?是不是一些人随意估计,瞎子估水,一担两桶呢?所以,今天时空通讯就来科普一下。
光速是怎么测算出来的呢?这个话题说来有点长。当我们祖宗还在以上京赶考为荣,作那些摇头晃脑的八股文时,在中世纪的欧洲,自然科学就大放异彩,尤其天文学,出了一茬又一茬的伟大科学家。那个时候,欧洲还是在宗教神权的统治下,几乎所有人都要尊崇并加入宗教,但一些有科学精神的神甫们对科学知识充满了渴望和探索精神,他们不惜违背宗教教义,发现和提出了许多足以*翻推**宗教教义的理论,涌现出了一大批载入史册的科学先驱。他们对宇宙和自然现象充满了好奇与兴趣,他们孜孜以求,以破解这些奥秘谜底为荣,当然也包括光速。

最早大家认为,光速的传播是不要时间的,是瞬时移动的。那时侯世界上没有什么科学仪器来检测这么快的速度,人们凭肉眼根本看不到光的传输过程,所以一部分人认为光根本不要时间传输。但伽利略不认同这点,他认为光速虽然很快,但也可以测量。1607年,伽利略做了一个实验。这个实验的方法很原始,他让两个人分别站在相距一英里的两座山上,每人拿一盏灯,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,伽利略想利用从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间差来验证光的传播速度。但由于光速实在是太快了,这种仍然是靠肉眼的方法肯定测不出什么结果。现在我们知道,要想通过这种方法测出光速,必须能测出0.00001秒的时差,这在当时是完全不可能做到的。但这是人类最早的一次光速测验,伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕

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1676年,丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法。他利用的是木星卫星隐食时差法。在观测木星的卫星的隐食周期时发现,在一年的不同时期,它们的周期有所不同;在地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相差十四五天。他认为这种现象是由于光具有速度造成的,而且他还推断出光跨越地球轨道所需要的时间是22分钟。1676年9月,罗麦预言预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟。巴黎天文台的科学家们怀着将信将疑的态度,观测并最终证实了罗麦的预言。虽然罗麦的理论并没有被法国科学院接受,但得到了著名科学家惠更斯的赞同。惠更斯根据他提出的数据和地球的半径第一次计算出了光的传播速度:214000千米/秒。这个光速与现在精密测定的光速差距还是较大的,但这个错误并非方法的不对,而是由于罗麦对光跨越地球时间的错误推断而导致的。现代纠正了这个错误,再用罗麦的方法实验结果得到的数据就非常接近精确数据了。
1725年,英国天文学家布莱德雷发现了恒星的“光行差”现象,以意外的方式证实了罗麦的理论。经过几年的努力,他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒。这个数值较罗麦法测定的要精确一些。菜德雷测定值证明了罗麦有关光速有限性的说法。

18世纪是欧洲科学的沉闷时期,光学研究也处于停滞状态。一直到了19世纪,才又重启了研究,出现了新的科学家用新的方法来测量。1849年,法国人菲索采用透镜光源返复齿轮法对光速进行了测量。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,在透镜的另一测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。这样光源返复来回反射,当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光,当光恰好遇到齿时就会被遮住。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,菲索测得的光速是315000千米/秒。但这个方法由于齿轮的精准度而有误差。

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时间。傅科用这种方法测出的光速是298000 千米/秒。这已经非常接近现代精准的光速数据了。另外傅科还测出了光在水中的传播速度,通过与光在空气中传播速度的比较,他测出了光由空气中射入水中的折射率。这个实验在微粒说已被波动说*翻推**之后,又一次对微粒说做出了判决,给光的微粒理论带了最后的冲击。
1928年,卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1951年,贝奇斯传德用这种方法测出的光速是299793千米/秒。
1950年,艾森提出了用空腔共振法来测量光速。这种方法的原理是,微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振。根据空腔的长度可以求出共振腔的波长,再把共振腔的波长换算成光在真空中的波长,由波长和频率可计算出光速。
当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。1958年,弗鲁姆求出光速的精确值:299792.5±0.1千米/秒。1972年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值:299792457.4±0.1米/秒。

这是目前我们通用的最精确的关在真空中的传播速度。
光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义。虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间,但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展,尤其是在微粒说与波动说的争论中,从开始对光子是一种粒子的说法到后来的波粒二象性,光速的测定曾给这一场著名的科学争辩提供了非常重要的依据。
光年就是一个光子在真空中一年传播的距离,是一个宇宙尺度的长度单位。它的计算方式为,一年(定义值为365.25日)的时间中,在自由空间以及距离任何引力场或磁场无限远的地方,一光子所行走的距离。因为真空中的光速是每秒约299,792,458米(准确值),所以一光年等于9460730472580800米(准确值),或者,5878625373183.608英里,或5108385784330.886海里,或约9.46万亿千米。
这就是光速的来历,也是这把宇宙之尺的制作过程。
