光速测定的历史

光速测定的历史

17世纪前，天文学家和物理学家以为光速为无限大，宇宙中恒星的光都是瞬时到达地球的。意大利物理学家伽利略首先对上述论点提出怀疑，为了证明光速的有限性，他在1600年左右曾做过粗糙的实验，他确定了A用灯光把信号传到B并收到从B回来的信号所需要的时间。这个实验是在晚上当两个观察者紧靠着站在一起，以及当他们相距近一英里时分别进行的。如果能发觉有时间差，那么，光就是以有限速度传播的，伽利略不能从他的实验解决这个问题。但他提出了一个完全不同的问题，他评论道，在木星后面的木星卫星时常消失，可以用来作光速的测量。

1、罗默的光速测定法

意大利的天文学家卡西尼作为被路易十四召到巴黎的大科学家之

一，大约在1642年，对木星系作了长期的研究。出生于丹麦奥尔胡斯（Aarhus）的年轻天文学家罗默也移居在巴黎，他和让·皮卡特（Piccard J，1620～1682）一起观察了木卫的食。他们注意到，这些卫星在它们的轨道上运转的时间在一年的各个时期不都是相同的，并且当木星的视大小变小时，这运转的时间大于平均值。但实际的运动中这种不均等性是极少发生的，罗默确信观察到的不规则性是光速有限的一个证据。在1676年9月，罗默向法国科学院递交了报告，报告中说：发生在11月的下一次第一个卫星食的时间要比根据8月的观察进行计算所得到的时间迟10分钟左右，这个矛盾可以用假定光从木星到地球需要时间而得到解释。如图1，当地球从E l转到E2时，第一个木卫食的时间比从它的平均运转周期中计算所得的时间晚几分钟。罗默把这误差解释为由于光行走OE2距离多费了时间。当地球从E3运转到E4时，食的发生时间要比预计的早。在11月9日，这次食发生在5时35分45秒，而据计算，它

应该发生在5时25分45秒。11月22日，他向科学院更详细地解释了他的理论，并讲到，光穿过地球的轨道需要22分钟（现在所知道的更精确的值为16分36秒）。科学院没有立刻接受罗默的理论。皮卡特赞成这理论而卡西尼则反对。罗默根据的是他对第一个卫星的计算，他坦率地讲道，从观察其他三个卫星所做出的类似计算可能不会成功，因为它们运行的不规则性尚未被测定。在卡西尼的心里，这个事实有力地反对了罗默解释的证据。罗默在法国的声誉迅速提高，他做了法国皇太子的私人教师。1681年，丹麦国王克利斯汀五世（Christian V）把他从法国召回任丹麦任皇家天文学家。

图7-10为布拉德雷试图测量γ座的视差

图7-9为罗默的光速测定法

2、布拉德雷的贡献

在罗默回到祖国以后，对他的理论的信心在巴黎衰落了；但在英国涌得到了著名天文学家哈雷的热情支持，并被牛津的萨维利安（Savilian）天文学教授布拉德雷（Bradley James，1693～1762）以意料不到的方式所证实。当他努力测量星体的视差时，他惊讶地发现它的位移并不全像他所预料的那样；如图2，布拉德雷预料从6月到12月会显示星体从S′到S″的表观运动，而在3月和9月，星体居于天球的中间位置。事实上，6月和12月的位置相同，他没有发现视差的影响。但在3月和9月星体却不在相同的地方出现。布拉德雷开始时不知道如何解释这一现象。在1728年9月的某一天，他和同伴们在泰晤士河上乘船航行，他观察到，似乎每一次船转换方向时风都变了向，他向船夫提出的一个问题引起了很有意义的回答，即桅杆顶上风标方向的变化仅仅是由于船的航向的变化，而风全然如故。他立刻猜想到，光的前进的传播跟地球在它的轨道上的前进相结合时，光的前进传播肯定产生每年一度的方向变化，天体的变化在这种方向上是通过依赖于这二者的速度之比而被看见的。如图3，若令AB为望远镜的方向。当地球载着观察者从A向C运动时，光线走过了望远镜的长度。当光线达到眼睛时，望远镜是在CD位置上。同样，6个月后，C点的观察者的望远镜指向了GH方向。CD和GH约有40秒的偏角差。布拉德雷从这个“光行差”的值估计太阳光到达地球的时间为8分13秒。这个值比上半个世纪罗默测定的11分更接近正确值。布拉德雷观测到了光行差现象，即星的表观位置在地球轨道速度

方向上的位移。根据光行差角α＝v/c(v是地球轨道速度)，可以估算光速值，这项独立观测使科学家确认了罗默当年所观测的木星卫星食的延迟就是光速有限的有力论据。

图7-11为所谓光行差的影响

3、菲索和傅科测光速的方法

1834年，英国物理学家惠斯通（C．Wheatstone，1802～1875）就用旋转镜来测定电火花持续的时间，当时他就设想，是否可以用这样的方法来确定光速，同时也想来确认一下在折射率更大的介质中，光速是否更大。为什么要确认这个问题呢？因为早在十七世纪，笛卡儿曾经表明，根据光的微粒说的观点，光在密度高的透明介质中的速度应该比在空气中的快。但是，根据光的波动说的观点，恰恰相反，光在这样的介质中应该走得慢些。显而易见，用实验方法来测定光在这两种介质中的速度，并比较它们的大小，对确定光的微粒说正确还是光的波动说正确来说，是至关重要的。所以惠斯通的思想方法是正确的，但是他没能完成。这个思想后来被阿拉戈采纳。可是，由于阿拉戈的视力不佳，这一研究课题就留给了更年轻的人们去进行。另一方面，如果采用这种方法来测定光速，由于要求镜子必须具有每秒转动一千多次的速率，所以在机械上的困难是很大的，在当时的社会技术条件下也难以完成。与此同时，有些人还认为，人的眼睛要从具有如此巨大的速率转动着的镜子中，捕捉被反射的闪光的瞬时映像是不可能的。正因为这样，当时人们把惠斯通的设想、阿拉哥的计划都视为幻想。但是，随着时间的推延，用这样的基本方法来测定光速获得了成功，主要获胜者便是菲索（A．H．L．Fizeau，1819～1896）和傅科（J．B．L．Foucault，1819～1868）。

菲索是法国物理学家，1819年9月23日出生于巴黎。他早年的研究都与改进照相方法有关，并且先后研究过光的干涉、热膨胀等问题，发明过一种干涉仪。他的早期研究活动大部分与傅科在一起，1896年9月18日在梵都尔去世。菲索在研究和测量光速问题上做出了贡献，是第一个

不用天文常数、不借助于天文观察来量度光速的人。他发表了题为“关于光传播速度的一次实验”的论文，刊载于1849年出版的《法国科学院周报》第二十九卷上。斐索采用旋转齿轮测量的办法。他转动一个以规则的间隔遮挡光的齿轮，而间断性的闪光是来自于安装在一定距离的镜面的反射。这个实验是在巴黎市郊的相距为8633米的絮伦（Suresnes）和蒙马特里（Montmartre）之间进行的。

图7-12为菲索用齿轮法光速测量实验

1849年，法国物理学家菲索用齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量。他的实验装置如图所示。图4中光源S发出的光束在半镀银的镜子G上反射，经透镜L1聚焦到O点，从O点发出的光束再经透镜L2变成平行光束。经过8.633千米后通过透镜L3会聚到镜子M上，再由M返回原光路达G后进入观测者的眼睛。置于O点的齿轮旋转时把光束切割成许多短脉冲，他用的齿轮有720个齿，转速为25转／秒时达到最大光强，这相当于每个光脉冲往返所需时间为1/18000秒，往返距离为17.266千米，经过二十八次的观察，由此可得с＝312000千米／秒。这个数值与当时天文学家公认的光速值只有较小的差别。

菲索测定光速的方法被巴黎的科尔纽（Comu Marie Alfred，1841～1902）和英国的詹姆斯·杨（Yong James），以及乔治·福布斯（Forbes George）作了一些改进后加以应用。1874年，科尔纽在实验中把反射镜安装在23千米远的地方。于1882年发表的杨和福布斯的测量，似乎证明了蓝光的速度比红光的快1.8％。这个结论的正确性是受到怀疑的。如果真是这样，那么，星体在食的前后将要现出颜色；此外，迈克耳逊（Michelson Albert Abraham，1852～1931）用傅科方法看见了狭缝像的光谱图，这狭缝产生了10毫米宽的彩色图像。

差不多与菲索同时进行光速测定工作的便是傅科。1819年9月18日他生于巴黎，最初研究过医学，但从1845年以后从事物理学的研究，与斐索是初期的合作者。两人分手后，各自都进行着光速测定的研究工作。在科学史上，傅科以其“傅科摆”的实验著称于世，他以这个实验验证了地球的自转。1868年2月11日傅科在巴黎去世。

在光速测定的研究中，傅科是采用旋转平面镜的方法来测光速的。经过一段时间的研究，于1850年5月6日向科学院报告了自己实验的结果，并发现光速在水中比在空气中小，证明了波动说的观点是正确的，它给光的微粒说带来了再一次的冲击。这一研究工作是在他居住的阿萨斯街的楼阁里进行的。他把它作为科学博土论文在1853年提出的，并刊载于1862年出版的《法国科学院周报》第五十五卷上，论文的题目为“光速的实验测定：太阳的视差”。如图5中可以看出，光从S发出，穿过半镀银膜M1和会聚透镜L，到达旋转镜M2，经反射到凹面镜M3，再沿原路返回。被M1再反射并成像S′；如果旋转镜M2作高速旋转，则光线由M3返回到M2时，M2在这一段时间内有稍许偏转，由此引起的像S″产生一个位置差△S，借此可以算出光速值。

图7-13为傅科光速测量实验原理图

在论文中，傅科叙述了实验装置的改进和实验的结果。他指出，所用的仪器与以前所说的仪器设有什么重大的区别，只是装了一套推动圆周屏幕移动的齿轮系统，以便准确量度镜的旋转速度。此外，实验中所用的距离，也用几次反射的方法，使其距离从4米扩大到20米。由于光通过的距离增长，对时间的量度更为准确，使他得到的结果也更好。傅科指出，最后的结果，光的速度好像显然地比人们想象的速度要小，用旋转镜测得的光速为每秒大约2.98×108米/秒。接着他又分析这一结果的准确程度。据他看来，该实验的误差，不应该超过5×105米。在这一条件下，傅科认为这一实验数值是正确的。

在菲索和傅科之后，又有不少科学家，采用并改进了前人的方法，继续测量光的传播速度。主要有以下几位：法国的科尔尼（M．A．Cornu，1841～1902）采用菲索的方法，作了一些改进，于1874年在实验中把反射镜安装在23公里远的地方，测出的光速为每秒2.985×108米，而1878年又测得3.004×108米。1880～1881年，英国的詹姆斯·杨（Oames Young）和乔治·福布斯（G．Forbes）测得的数值为每秒

3.01382×108米。

4、迈克耳逊测光速的方法

美国物理学家迈克耳孙，1852年12月19日生于普鲁士斯特雷诺(今波兰斯特尔诺)，两岁时全家移居美国。他在1869年入安那波利斯（Annapolis）国立海军学院学习，1873年毕业后留校任基础课讲师。1879年转到华盛顿的航海年历局工作。1880年去欧洲进修，先后在柏林、海德堡、巴黎等地受教于亥姆霍兹等名家。1882年回国，受聘为克利夫兰的开斯应用科学学院物理学教授，1889年任伍斯特的克拉克大学物理学教授，1892年起担任新建的芝加哥大学第一任物理系主任，直到1929年退休。

光速的最精确的测定是在美国作的，1867年，海军天文台的纽科姆（Newcomb Simon，1835～1909）建议重做傅科的实验，迈克耳逊于1878年在安纳波利斯海军学院的实验室做了初步的实验。测量是在1879年做的。1882年，迈克耳逊在俄亥俄州克利夫兰的凯斯学院作了测定。傅科实验的主要困难是偏转太小了，以致不能准确测量下来。他所用的固定镜和转动镜之间的距离只有4米，可是，用5个固定的镜子会使实验的距离实际上增加到20米，并且送回来的像的位移只有0.7毫米。在迈克耳逊改进了的装置中送回来的像的位移有133毫米，或者接近于傅科得到的结果的200倍。

1879年3月，美国国会拨款5000美元实验费用于支助这项事业。可动镜安装在迈耶堡（Fort Meyer），固定镜先放在海军天文台（距离为2550.95米），反又安装在华盛顿纪念碑上（距离为3721.21米）。迈克耳逊和纽科姆、霍耳康姆（Holcombe）合作。在1880年夏天开始观察，并一直继续到1882年秋天，选择在春、夏、秋季最好的时候。只有在日出后一小时或日落前一小时的大气条件才能使他们得到狭缝的稳定的像，他们一共做了504组测量。

迈克耳孙以毕生精力从事光速的精密测量；1879年，他用自己改进了的傅科方法，利用凹面镜和透镜把光路延长到600m，旋转镜使返回光位移133mm，获得光速值为299910±50km/s。1882年，他又把测量精度提高，获得的数值为299853±30km/s。这都是当时最新纪录。后来到1923年他又重新专心致志地从事光速测量，在加利福尼亚的两个相距约35公里的山头之间，一个新的特点是应用了八角形的转动镜，这提供了接受相继反射面的反射光的可能性，这样就免除了反射光线的角度偏差的测量；测得的数值为299798±4km/s。在他有生之年，他一直是光速测定的国际中心人物，直到逝世前还念念不忘这项工作。1907年，迈克耳逊获得了诺贝尔物理学奖。1923～1927年间，他担任美国科学院院长。1931年5月9日，这位美国的伟人，经过漫长的科学生涯，在帕萨迪纳逝世。