光的速度是如何计算出来的?

2021-03-24财经611

最早的较高准确度的光速测量来自1851年,法国科学家傅科。当时他采用的方法是旋转镜法,大致原理如上图所示:A为一面镀膜的半透光的镜子,光源S发出的光经A的反射,进入齿轮N的轮齿之间。齿轮旋转,于是就会时不时遮挡光束。通过齿轮N后,光束经平面镜M的反射,再次回到齿轮。如果这时齿轮恰好又在一个间隙,则光束可以齿轮,进而在半透镜A之后的观测者就可以观测到光。齿轮的齿数已知,转速已知,则两个齿通过的时间差就已知,进而可以算出光从第一次通过齿轮,到反射后回到齿轮,所用的时间。齿轮到平面镜M的距离可以简单测量出来,有时间有距离,也就有了速度。当时傅科得到的光速是298*10^8米/秒,已经是很不错的准确度了。

在1924年,美国科学家迈克尔逊对这一实验装置进行了改进,用旋转的八面镜代替了齿轮,大大提高了实验精度。原理如上图所示:有八个面的反射镜A不断旋转,只有当1面正对左上45度角方向的时候才能将光送入光路系统B;光经过B的一系列反射后,摄像镜面3的位置,而此时只有镜面3正对左下45度角方向的时候,光可以被观测镜看到。由于条件十分苛刻,因此只有反射镜旋转的速度为非常精确的某些特定值的时候,才能在观察镜中看到光斑。再由旋转速度和光路长度,即可简单计算出光速。当时的实验得到了299796±4 千米/秒的结果,已经非常准确了。

再之后,在1983年10月的第十七届国际计量大会上,米被重新定义为:“光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经路程的长度”。加之时间已经被精确定义(铯133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍 的时间),光速的值也就这样被“确定”了下来:299792458米/秒,一丝一毫也不差。换言之,米这个概念,现在已经是源于光速的了。

但如果谈到计算,那就更有趣了。1865年,麦克斯韦第一次完成了麦克斯韦方程组,全面描述了宏观电磁场的性质。之后又发展了这一方程组的各种形式。而从这4条方程中,我们就完全可以推导出光速计算的方法。

上图为之*乎用户TDurden推导的光速计算方法。由最终式易得,真空介电常数和磁导率,有这两个常数就可以直接计算光速。这也是“光速不变”这一概念的起源之地。

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