光速

光速
The distance from the Sun to Earth is shown as 150 million kilometres, an approximate average. Sizes to scale.
平均而言,陽光大約需要8個 分鐘和17分 幾秒鐘從陽光地球
確切的值
每秒米299792458
近似值(至三個重要數字)
每小時公里1080000000
每秒英里186000
英里每小時671000000
天文單位173
每年parsecs0.307
近似光信號旅行時間
距離時間
一隻1.0 ns
3.3 ns
從地靜止軌道到地球119毫秒
地球赤道的長度134 ms
月亮到地球1.3 s
太陽到地球(1 AU8.3分鐘
一年1。 0年
一個parsec3。26年
最近的恆星到太陽( 1.3 PC4。2年
最近的星系到地球70 000
銀河系87 400
仙女座星系到地球250萬年

真空的光速(通常表示為C )是一個通用的物理常數,完全等於每秒299,792,458米(每秒約300,000公里;每秒186,000英里;每小時6.71億英里)。根據相對論的特殊理論C是常規物質能量(因此攜帶信息的任何信號)可以通過太空傳播的速度的上限。

所有形式的電磁輻射,包括可見光,以光速行進。出於許多實際目的,光和其他電磁波似乎會立即傳播,但是對於長距離和非常敏感的測量,它們的有限速度具有明顯的影響。地球上觀察到的任何星光都是從遙遠的過去,可以通過觀察遙遠的物體來研究宇宙的歷史。在與遠處的太空探針進行交流時,信號可能需要幾分鐘到幾個小時。在計算中,燈的速度固定了最終的最小通信延遲。光速可以在飛行測量時使用,以測量大距離至極高的精度。

OleRømer在1676年首次證明,通過研究Jupiter的月亮IO的明顯運動,光不會立即傳播。在接下來的幾個世紀中,對其速度進行了更準確的測量。詹姆斯·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)在1865年發表的一篇論文中提出,光是電磁波,因此以速度c行駛。 1905年,阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)假設,相對於任何慣性參考框架的C速度是常數,並且與光源的運動無關。他通過得出相對論來探討了該假設的後果,並這樣做表明參數c在光和電磁主義的背景下具有相關性。

無質量的顆粒擾動,例如重力波,也以真空的速度C傳播。這種顆粒和波在C處傳播,無論觀察者的源或慣性參考框架的運動如何。具有非零休息質量的粒子可以加速到接近C ,但無論測量其速度如何,都無法達到C。在相對論的特殊和一般理論中, C相互關聯,並出現在著名的質量 - 能量等效方程中, E = MC 2

在某些情況下,物體或波浪的行進速度可能比光(例如,波的相位速度某些高速天文對象的出現以及特定的量子效應更快。眾所周知,宇宙的膨脹超出了一定邊界的光速。

光傳播通過透明材料(例如玻璃或空氣)的速度小於C;同樣,電線電纜中電磁波的速度比C慢。 c和速度V之間的光在材料中傳播的速度為v稱為材料的折射率n(n =簡歷 例如,對於可見光,玻璃的折射率通常約為1.5,這意味著玻璃中的光在C / 1.5≈200000km /s( 124 000 mi /s)時傳播;可見光的空氣折射率約為1.0003,因此空氣中的光速比C慢約90 km/s(56 mi/s)。

數值,符號和單位

真空中的光速通常用小寫C表示“恆定”或拉丁celeritas (意思是“迅速,celerity”)。 1856年,威廉·愛德華·韋伯(Wilhelm Eduard Weber)魯道夫·科爾勞斯(Rudolf Kohlrausch)使用C的常數使用,後來證明是真空中光速的2倍。從歷史上看,該符號V被用作光速的替代符號,該符號James Clerk Maxwell於1865年引入。愛因斯坦(Einstein)在1905年關於特殊相對論的原始德語論文中使用了V ,但在1907年,他改用了C ,那時已成為光速的標準符號。

有時, C用於任何材料介質中的波速,而C 0用於真空中的光速。該訂閱的符號在官方SI文獻中認可,具有與相關的電磁常數相同的形式:即真空滲透性或磁性常數為μ0 ,用於真空介電常數或電力常數ε0 ,對於Z 0對於Z 0可用空間。本文專門用於真空中的光速

在單位系統中使用

自1983年以來,常數C已在國際單位系統(SI)中定義299 792 458 m/s ;這種關係用於定義儀表,確切地定義光在真空中傳播的距離1299 792 458秒鐘。通過使用C的值以及對第二個的準確測量,可以為儀表建立標準。作為尺寸的物理常數,對於不同的單位系統, C的數值不同。例如,在帝國單位中,光速大約是186 282英里每秒,大約1英尺每納秒。

c經常出現的物理分支中,例如相對論,通常使用自然測量單元c = 1的幾何單位系統。使用這些單元, C並未明確出現,因為乘以乘以 1不影響結果。即使省略,它的每秒光線單位仍然很重要。

物理中的基本角色

光波在真空中傳播的速度是獨立於波源的運動和觀察者的慣性參考框架的獨立性。愛因斯坦(Einstein)在麥克斯韋(Maxwell)的電磁論理論和缺乏針對發光體的運動的證據的動機之後,在1905年提出了這種光速的這種不變性。此後,許多實驗都始終如一地證實了這一點。只能通過實驗驗證光的雙向速度(例如,從源到鏡子再一次再一次)是獨立於框架的,因為無法測量單向光速(例如,從源到遙遠的檢測器),沒有一些慣例,即應如何同步源和檢測器的時鐘。

通過為時鐘採用愛因斯坦同步,單向光速從定義上等於光速的雙向速度。相對論的特殊理論探討了C的這種不變性的後果,假設物理定律在所有慣性參考框架中都是相同的。結果是C是所有無質量顆粒和波(包括光)必須以真空傳播的速度。

γ starts at 1 when v equals zero and stays nearly constant for small v's, then it sharply curves upwards and has a vertical asymptote, diverging to positive infinity as v approaches c.
洛倫茲因子γ與速度的函數。它從1開始,隨著v接近c即將接近無窮大。

特殊相對論具有許多違反直覺和實驗驗證的含義。這些包括質量和能量的等效性E = MC 2長度收縮(移動物體縮短)和時間擴張(移動時鐘運行較慢)。長度合同和時間擴張的因子γ被稱為Lorentz因子,由γ =(1 -V 2 / C 2 )給出-1/2 ,其中V是物體的速度。 γ的差異 1比C慢得多的速度可忽略不計,例如大多數日常速度 - 在這種情況下,伽利略相對性密切近似特殊的相對性 - 但是隨著v接近c ,它以相對論的速度和無限速度的分歧增加。例如, γ = 2的時間擴張因子以光速的86.6%( V = 0.866 C )的相對速度發生。同樣, γ = 10的時間擴張因子以光速( v = 0.995 c )的99.5%出現。

可以通過將空間和時間視為一種稱為時空的統一結構(與時空單位)來總結特殊相對論的結果,並要求物理理論滿足一個稱為lorentz的特殊對稱性,稱為lorentz不變性,其數學配方包含了它的數學配方參數c 。洛倫茲不變性是現代物理理論的幾乎通用假設,例如量子電動力學量子染色體動力學粒子物理學標準模型一般相對論。因此,參數C在現代物理學中無處不在,出現在與光無關的許多情況下。例如,一般相對性預測C也是重力重力波的速度,重力波的觀察與該預測一致。在非慣性的參考框架(重力彎曲的時空或加速參考幀局部光速是恆定的且相等的,但是當從遠程參考框架中測量時,光速與C有所不同,取決於如何測量被推斷到該區域。

通常認為,諸如C之類的基本常數在整個時空中具有相同的值,這意味著它們不依賴於位置,並且不隨時間而變化。但是,在各種理論中都建議光速可能隨著時間的流逝而改變。尚未發現此類變化的確定證據,但它們仍然是正在進行的研究的主題。

通常假定光速是各向同性的,這意味著它具有相同的值,無論測量方向如何。觀察核能水平的排放量與磁場中發射方向的函數(請參閱Hughes-drever實驗)以及旋轉的光學諧振器(請參閱諧振器實驗)對可能的雙向可能限制了嚴格的限制。各向異性

速度上限

根據特殊的相對論,具有靜置質量m和速度V的物體的能量γmc2給出,其中γ是上面定義的lorentz因子。當V為零時, γ等於1,從而產生質量 - 能量等效的著名E = MC 2 。隨著V接近Cγ因子接近無窮大,將需要無限的能量才能加速具有質量光速的物體。光速是靜止質量正的物體速度的上限,並且單個光子不能比光速更快。這是在許多相對論能量和動量的測試中實驗確定的。

Three pairs of coordinate axes are depicted with the same origin A; in the green frame, the x axis is horizontal and the ct axis is vertical; in the red frame, the x′ axis is slightly skewed upwards, and the ct′ axis slightly skewed rightwards, relative to the green axes; in the blue frame, the x′′ axis is somewhat skewed downwards, and the ct′′ axis somewhat skewed leftwards, relative to the green axes. A point B on the green x axis, to the left of A, has zero ct, positive ct′, and negative ct′′.
事件a在紅色框架中的b前B,同時在綠色框架中與B同時進行,並在藍色框架中遵循B。

更一般而言,信號或能量不可能比C更快地行駛。這是一個論點,是從稱為同時性相對論的特殊相對論的違反直覺的含義。如果兩個事件A和B之間的空間距離大於它們之間的時間間隔乘以C ,則有一些參考框架,其中A先於B,而其他參考框架則在B先前A之前,而其他參考則是同時進行的。結果,如果相對於慣性的參考框架,旅行速度比C快的速度要快,則它將相對於另一個框架向後流動,而因果關係將被違反。在這樣的參考框架中,可以在“原因”之前觀察到“效應”。這種違反因果關係從未被記錄下來,並會導致悖論,例如次要抗原抗原

比光更快的觀測和實驗

在某些情況下,似乎要以大於C的速度傳播的物質,能量或信息攜帶信號。例如,正如下面介質部分在光的傳播中所討論的那樣,許多波速度可能超過cX射線通過大多數玻璃的相位速度通常超過C ,但是相位速度不能確定波傳達信息的速度。

如果激光束在遠處的物體上迅速掃掃,則光線的移動速度比C的移動速度更快,儘管該點的初始移動被延遲了,這是因為要以速度C到達遙遠的物體的時間。但是,唯一移動的物理實體是激光及其發射光,它以速度C從激光器到斑點的各個位置傳播。同樣,在時間延遲後,可以使投射到遙遠對象的陰影比C更快地移動。在這兩種情況下,任何物質,能量或信息都比光快。

在兩個移動的參考框架中,兩個對象之間的距離的變化速率(它們的關閉速度)的值可能超過c 。但是,這並不代表任何單個對象的速度,如單個慣性框架所測量的。

某些量子效應似乎是瞬時傳輸的,因此比C中的C更快,如EPR悖論所示。一個示例涉及兩個可以糾纏的兩個粒子的量子狀態。直到觀察到兩個顆粒,它們都存在於兩個量子狀態的疊加中。如果粒子分離並觀察到一個粒子的量子狀態,則立即確定另一個粒子的量子狀態。但是,無法控制第一個粒子在觀察到的量子狀態,因此無法以這種方式傳輸信息。

預測更快的速度發生的另一種量子效應稱為Hartman效應:在某些條件下,虛擬粒子通過屏障所需的時間是恆定的,無論屏障的厚度如何。這可能會導致虛擬粒子比光更快地越過較大的間隙。但是,無法使用此效果發送任何信息。

在某些天文學物體中可以看到所謂的超亮性運動,例如射電星系類星體相對論噴射。但是,這些噴氣機的速度沒有超過光速的速度:明顯的靜脈運動是由物體靠近光速移動並以小角度與視線接近地球引起的投影效應:因為光當射流距離距離較遠時,它發出了更長的時間才能到達地球,兩次連續觀察之間的時間對應於發出光線的瞬間之間的較長時間。

2011年的實驗,觀察到中微子的行進速度比光得多,這是由於實驗誤差所致。

不斷擴展的宇宙的模型中,星系越來越彼此,它們越快散開。例如,推斷出遠離地球的星係以與距離成正比的速度遠離地球。除了一個稱為哈勃球體的邊界之外,其與地球距離增加的速度變得大於光速。這些經濟衰退率定義為每個宇宙學時間適當距離增加,不是相對論的速度。比宇宙衰退的速度更快只是坐標工件。

光的傳播

經典物理學中,光被描述為一種電磁波麥克斯韋方程描述了電磁場的經典行為,該方程預測真空中電磁波(例如光)傳播的速度C與真空的分佈電容和電感有關,否則稱為真空的電感0磁常數μ0通過方程式

在現代量子物理學中,電磁場由量子電動力學理論(QED)描述。在這一理論中,通過電磁場的基本激發(或量子)描述了光,稱為光子。在QED中,光子是無質量的顆粒,因此,根據特殊的相對論,它們以真空中的光速傳播。

已經考慮了光子具有質量的QED的擴展。在這種理論中,它的速度取決於其頻率,而特殊相對論的不變速度C將是真空中光速的上限。在嚴格的測試中未觀察到光速隨頻率的變化,對光子的質量施加了嚴格的限制。獲得的極限取決於所使用的模型:如果通過Proca理論描述了巨大的光子,則其質量的實驗上限約為10-57;如果光子質量是由希格斯機制產生的,則實驗上限不太清晰, m≤ 10 -14 eV/ c 2 (大約2×10 -47 g)。

光速隨其頻率變化的另一個原因是,正如一些提出的量子重力理論所預測的那樣,特殊相對性無法應用於任意小尺度。在2009年,對伽馬射線爆發GRB 090510的觀察發現,沒有證據表明光子速度對能量的依賴性,從而在時空量化的特定模型中對這種速度的特定模型進行了緊密約束,該速度如何受到光子能量的影響,以實現接近Planck量表的能量。

在媒介中

在培養基中,光通常不會以等於C的速度傳播。此外,不同類型的光波將以不同的速度傳播。平面波的單個波峰和槽的速度(一個波浪填充整個空間,只有一個頻率)被稱為相速度v p 。有限範圍(光脈衝)的物理信號以不同的速度行駛。脈衝的整體包膜組速度V G處行進,其最早的部分在前速度v f上行駛。

A modulated wave moves from left to right. There are three points marked with a dot: A blue dot at a node of the carrier wave, a green dot at the maximum of the envelope, and a red dot at the front of the envelope.
藍點以波紋的速度移動,相位速度;綠色點以信封的速度,群速度移動;紅點以脈衝的最重要部分(前速度)的速度移動。

相位速度對於確定光波如何通過材料或從一種材料到另一種材料傳播至關重要。通常以折射率表示。材料的折射率定義為材料中C與相速度V P的比率:較大的折射率表示較低的速度。材料的折射率可能取決於光的頻率,強度,極化或傳播方向。但是,在許多情況下,它可以視為材料依賴性常數。空氣的折射率約為1.0003。玻璃鑽石等密集的介質的折射率分別為1.3、1.5和2.4,可見光。

在諸如絕對零接近的玻色 - 因斯坦冷凝水之類的外來材料中,光的有效速度可能僅為每秒幾米。但是,這代表了原子之間的吸收和重新輻射延遲,材料物質的所有速度都比所有速度較慢。作為物質中光線“放慢”的極端例子,兩個獨立的物理學家團隊聲稱通過將光線通過玻璃rubium的玻色 - 因斯坦冷凝物將光線帶到“完全停滯”。這些實驗中對光的流行描述僅是指在原子的激發態中存儲的光,然後在以後的任意後期重新定位,這是由第二個激光脈衝刺激的。在“停止”的那段時間裡,它已經不再是光線了。在所有透明介質中,這種類型的行為通常是“慢慢”光速的所有透明介質的正確性。

在透明的材料中,折射率通常大於1,這意味著相位速度小於c 。在其他材料中,折射率可能比 1對於某些頻率;在某些異國情調的材料中,甚至有可能將折射率變為負。不違反因果關係的要求意味著,任何材料的介電常數真實和虛構部分,分別與折射索引和衰減係數相對應,與Kramers -Kronig關係相關聯。實際上,這意味著在折射率小於1的材料中,波浪將很快吸收。

隨著時間的流逝,具有不同組和相速度的脈衝(如果相位速度不相同,則會發生)隨著時間的流逝,這是一種稱為分散的過程。某些材料的光波具有異常低(甚至零)的組速度,這是一種稱為慢光的現象。相反的群體速度超過C ,在1993年從理論上提出,並在2000年實驗實現。組速度甚至應該有可能成為無限或負面的,脈衝會瞬間或及時向後移動。

這些選項都不允許更快地傳輸信息。不可能比脈衝最早部分的速度(前速度)快速傳輸信息。可以證明,這(在某些假設下)始終等於c

粒子可以比該介質中的光速度更快地穿過中等速度(但仍比C慢)。當帶電粒子介電材料中做到這一點時,發出了電磁等效的電磁等效物,稱為Cherenkov輻射

有限的實際影響

光速與通信相關:單向和往返延遲時間大於零。這適用於小型到天文量表。另一方面,某些技術取決於光的有限速度,例如在距離測量中。

小尺度

計算機中,光速對處理器之間的數據迅速發送了限制。如果處理器在1處運行 Gigahertz ,一個信號在一個時鐘週期內最多只能傳播約30厘米(1英尺) - 實際上,此距離甚至更短,因為印刷電路板本身俱有折射率並減慢了信號。因此,必須將處理器彼此靠近以及內存芯片,以最大程度地減少通信潛伏期,並且在將電線路由線之間的路由以確保信號完整性時必須注意。如果時鐘頻率繼續增加,光速最終可能會成為單芯片內部設計的限制因素。

地球上的大距離

鑑於地球的赤道圓周是關於40 075 km ,那個C300 000 km/s ,一條信息沿著地面一半的信息的理論最短時間約為67毫秒。當光在光纖透明材料)中傳播時,實際運輸時間更長,部分是因為光纖維的光速速度較慢約35%,具體取決於其折射率n 。直線在全球通信中很少見,當信號通過電子開關或信號再生器時,旅行時間會增加。

儘管這種距離在大多數應用中基本上是無關緊要的,但潛伏期在高頻交易等領域變得很重要,在高頻交易中,交易者試圖通過交易交易來交換交易所的交易分數比其他交易者領先一秒。例如,交易者一直在交易中心之間切換到微波通信,因為無線電波以空氣的光速接近光速的無線電波比光纖信號相對較慢。

太空飛行和天文學

The diameter of the moon is about one quarter of that of Earth, and their distance is about thirty times the diameter of Earth. A beam of light starts from the Earth and reaches the Moon in about a second and a quarter.
描繪了一束光束在地球和月球之間在它們之間移動的時間之間移動的光束:在它們的平均軌道(地表到表面)距離處的1.255秒。地球系統系統的相對大小和分離顯示為擴展。

同樣,地球與航天器之間的通信不是瞬時的。從源到接收器有一個短暫的延遲,隨著距離的增加,這變得更加明顯。當它成為第一批乘員的航天器以繞月球繞的飛船時,這種延遲對於地面控制阿波羅8之間的通信非常重要:對於每個問題,地面控制站都必須等待至少三秒鐘才能到達。

地球和火星之間的通信延遲可能會在五到二十分鐘之間變化,具體取決於兩個行星的相對位置。因此,如果火星表面上的機器人遇到問題,那麼直到5-20分鐘後,其人類控制器才會意識到它。然後,命令從地球到火星旅行將需要另外5-20分鐘

從遙遠的天文來源接收光和其他信號需要更長的時間。例如,需要130億(13 × 10 9 )光線可以從哈勃超深田圖像中觀看的遙遠星系前往地球。這些照片今天拍攝的照片捕獲了星系的圖像,因為它們出現在130億年前,當時宇宙不到十億年。由於光的有限速度,這一事實似乎更年輕,這使天文學家可以推斷恆星星系宇宙本身的演變。

天文距離有時會在光年中表達,尤其是在流行的科學出版物和媒體中。光年是距離一年的距離光線,約94610億公里,58.79億英里或0.3066 parsecs 。在圓形的數字中,光明的一年近10萬億公里或將近6萬億英里。 Proxima Centauri是距離太陽後最接近地球的恆星,距離為4.2光年。

距離測量

雷達系統在被目標反射後返回到雷達天線的時間時測量到目標的距離:到目標的距離是往返行駛時間的一半。 。全局定位系統(GPS)接收器根據無線電信號從每個衛星到達的時間需要多長時間來測量其與GPS衛星的距離,並且從這些距離中計算了接收器的位置。因為光周圍旅行300 000公里186 000 mi )在一秒鐘內,這些小部分的測量必須非常精確。通過測量往返運輸時間,分別通過測量月球,行星和航天器的距離分別確定了月球,行星和航天器的距離。

測量

有不同的方法來確定c的值。一種方法是測量光波傳播的實際速度,這可以在各種天文和地球設置中進行。也可以通過確定電磁常數ε0μ0值並使用其與c的關係來確定例如其他物理定律的c 。從歷史上看,最準確的結果是通過單獨確定光束的頻率和波長,其產物等於c 。這在下面的“干涉法”部分中更詳細地描述。

1983年,儀表被定義為“在1的時間間隔內,光線在真空中通過真空傳播的路徑長度第二秒的299 792 458 “固定光速的值299 792 458 m/s按定義,如下所述。因此,光速的準確測量得出的儀表可以準確實現儀表,而不是c的準確值。

天文測量

使用木星使用IO的Eclipse測量光速

外層空間是一個方便的設置,用於測量光速,因為它的大規模和幾乎完美的真空度。通常,一個人可以測量光穿越太陽系中某些參考距離所需的時間,例如地球軌道的半徑。從歷史上看,與參考距離的長度在基於地球的單元中已知的時間相比,可以相當準確地進行此類測量。

Ole ChristensenRømer使用天文學測量來對1676年的光速進行第一個定量估計。當從地球上進行測量時,繞地球接近地球時,繞地球的月經的時期比地球接近地球時短。從中退縮。當地球處於其最接近行星的軌道時,從星球(或月亮)到地球傳播的距離比地球處於軌道上最遠的地方時,距離的距離較短是地球圍繞太陽的直徑。觀察到的月球軌道周期的變化是由於光線穿越短或更長距離的時間的差異引起的。羅默(Rømer)觀察到木星最內向的月球IO的這種效果,並推斷出光需要22分鐘才能越過地球軌道的直徑。

A star emits a light ray that hits the objective of a telescope. While the light travels down the telescope to its eyepiece, the telescope moves to the right. For the light to stay inside the telescope, the telescope must be tilted to the right, causing the distant source to appear at a different location to the right.
光線的像差:由於光速有限,遠處的光似乎來自其他位置的望遠鏡。

另一種方法是利用詹姆斯·布拉德利(James Bradley)在18世紀發現和解釋的光的畸變。這種效應是由於從遙遠來源(例如恆星)及其觀察者速度到達的光的矢量添加矢量添加了(請參見右側的圖)。因此,一個移動的觀察者看到了來自略有不同方向的光線,因此看到源位於其原始位置的位置。由於地球速度的方向隨著地球繞太陽的繞而不斷變化,因此這種效果會導致恆星的明顯位置移動。從恆星位置的角度差(最大20.5弧秒)可以表達光速在太陽周圍的地球速度方面的光速,而已知的長度可以轉換為旅行所需的時間從太陽到地球。 1729年,布拉德利(Bradley)使用這種方法來得出光線10 210倍的速度比地球的軌道快(現代人物是10 066倍更快)或等效地,從太陽到達地球需要8分12秒鐘的光線。

天文單位

天文單位(AU)大約是地球和太陽之間的平均距離。它在2012年被重新定義149 597 870 700 m 。以前,AU不是基於國際單位體系,而是基於太陽在古典力學框架內施加的引力。當前的定義將推薦值以米為單位用於天文單元的先前定義,該定義是由測量確定的。這種重新定義類似於儀表的重新定義,並且同樣具有將光速固定在每秒天文單元中的精確值(通過以每秒為單位的光的精確速度)。

以前,通過比較無線電信號到達太陽系中不同航天器的時間的時間來測量以每個天文單位表達的C倒數,其位置是根據太陽和各種行星的重力效應計算得出的。通過組合許多這樣的測量值,可以獲得每單位距離的最佳擬合值。例如,在2009年,國際天文聯盟(IAU)批准的最佳估計是:

單位距離的輕度時間: t au = 499.004 783 836 (10)S
C = 0.002 003 988 804 10 (4)au/s = 173.144 632 674 (3)AU/天。

這些測量值的相對不確定性為0.02份,每十億分( 2 × 10 −11 ),相當於通過乾涉測量法對基於地球的長度測量的不確定性。由於儀表被定義為在一定時間間隔內通過光傳遞的長度,因此根據先前的天文單位定義的光時間測量也可以解釋為測量在AU(舊定義)中的長度(舊定義)儀表。

飛行技術的時間

米歇爾森,Pease和Pearson的1930 - 35年實驗是最後一個也是最準確的飛行測量時間之一,使用了旋轉鏡和一英里(1.6 km)長的真空腔室,光束橫穿了10次。它的準確性為±11 km/s。
A light ray passes horizontally through a half-mirror and a rotating cog wheel, is reflected back by a mirror, passes through the cog wheel, and is reflected by the half-mirror into a monocular.
Fizeau設備的圖:
  1. 光源
  2. 梁切開半透明的鏡子
  3. 光束的齒輪斷路器
  4. 遠程鏡子
  5. 伸縮管

一種測量光速的方法是測量光在已知距離和背部以鏡子傳播到鏡子所需的時間。這是Hippolyte FizeauLéonFoucault實驗背後的工作原理。

Fizeau使用的設置包括一束光束,該光橫梁針對8公里(5英里)的鏡子。在從源到鏡子的途中,光束穿過旋轉的齒輪。在一定的旋轉速度下,梁在返回的路上穿過一個縫隙,但在較高或更低的速率下,梁撞到牙齒,不會穿過車輪。知道車輪和鏡子之間的距離,車輪上的牙齒數以及旋轉速度,可以計算光速。

福柯的方法用旋轉的鏡子代替了齒輪。由於鏡子在光線向遙遠的鏡子和背面傳播時不斷旋轉,因此在旋轉的鏡子上以不同的角度從旋轉的鏡子中反射出來,其距離與後退的路上不同。從角度的差異來看,可以計算出已知的旋轉速度和距離鏡子的距離,可以計算光速。福柯使用該設備根據弗朗索瓦·阿拉戈(FrançoisArago)的建議來測量空氣與水的光速。

如今,將示波器用於少於一納秒的時間分辨率,可以通過將光脈衝從激光器或從鏡子反射的LED定時直接測量光速。與其他現代技術相比,該方法的精確度(誤差為1%),但有時被用作大學物理課程的實驗室實驗。

電磁常數

一種不直接取決於電磁波傳播的測量C的選項是使用C真空介電常數ε0真空滲透性μ0在Maxwell的理論中建立: C 2 = 1/( ε0 /( ε0) μ0 。真空介電常數可以通過測量電容器電容和尺寸來確定,而真空滲透率的價值在歷史上是固定的通過安培的定義,4π × 10 -7 h·m -1羅莎(Rosa )和多爾西(Dorsey)在1907年使用這種方法來找到一個值299 710 ± 22 km/s 。他們的方法取決於具有標準的電阻單位“國際歐姆”,因此其準確性受到該標準的定義的限制。

空腔共振

A box with three waves in it; there are one and a half wavelength of the top wave, one of the middle one, and a half of the bottom one.
腔中的電磁直立波

測量光速的另一種方法是獨立測量真空中電磁波的頻率F和波長λ 。然後可以使用關係C = 找到C的值。一種選擇是測量空腔諧振器的諧振頻率。如果也已知共振腔的尺寸,則可以使用這些尺寸來確定波的波長。 1946年,路易斯·埃森(Louis Essen)和阿克·戈登·史密斯(AC Gordon-Smith)建立了精確已知維度的微波腔的多種正常模式的頻率。使用通過乾涉測量法校準的測量值確定尺寸的精度約為±0.8μm。由於模式的波長是從空腔的幾何形狀和電磁理論中知道的,因此對相關頻率的知識得以計算光速。

Essen – Gordon-Smith的結果, 299 792 ± 9 km/s ,比光學技術發現的要精確得多。到1950年,通過Essen重複測量確定了299 792 .5 ± 3.0 km/s

使用微波爐和食物(例如棉花糖或人造黃油)可以進行該技術的家庭演示:如果取出轉盤,以使食物不動,它將在抗indodes處烹飪最快(波幅度的點,是最大的),它將開始融化。兩個這樣的斑點之間的距離是微波的波長的一半。通過測量此距離並將波長乘以微波頻率(通常顯示在烤箱的背面,通常為2450 MHz),可以計算C的值,“通常誤差小於5%”。

干涉法

Schematic of the working of a Michelson interferometer.
長度的干涉測定法。左:建設性干擾;右:破壞性干擾

干涉法是找到電磁輻射的波長來確定光速的另一種方法。將具有已知頻率( F )的光線(例如,從激光器發出的)分開以遵循兩條路徑,然後重新組合。通過調整路徑長度,同時觀察干擾模式並仔細測量路徑長度的變化,可以確定光( λ )的波長。然後使用公式C = λf計算光速。

在激光技術出現之前,將連貫的無線電源用於光速測量光速。波長的干涉測定波長變得不精確,因此,實驗的精度被放射線的長波長(〜4 mm(0.16 in))限制。可以通過使用較短波長的光使用光來提高精度,但是很難直接測量光的頻率。

解決此問題的一種方法是從可以精確測量頻率的低頻信號開始,然後從該信號逐漸合成較高的頻率信號,然後將其頻率鏈接到原始信號。然後可以將激光鎖定到頻率上,並可以使用乾涉法確定其波長。該技術歸功於國家標準局(後來成為國家標準與技術研究院)。他們在1972年使用它來測量真空中的光速3.5 × 10 -9

歷史

直到近代早期,尚不知道光線是瞬時還是以非常快的有限速度行駛。對該主題的第一個現存記錄檢查是在古希臘。古希臘人,阿拉伯學者和古典歐洲科學家長期以來一直對此進行了辯論,直到Rømer提供了對光速的首次計算。愛因斯坦的特殊相對論理論假設光速是恆定的,而不管人的參考框架如何。從那時起,科學家提供了越來越準確的測量。

C的測量史(以km/s為單位)
<1638伽利略,覆蓋燈籠尚無定論
<1667年cimento ,覆蓋的燈籠尚無定論
1675RømerHuygens ,木星的衛星220000-27%誤差
1729詹姆斯·布拉德利(James Bradley) ,光的像差301000+0.40%錯誤
1849Hippolyte Fizeau ,齒輪315000+5.1%錯誤
1862LéonFoucault ,旋轉鏡子298000±500-0.60%誤差
1907羅莎(Rosa)和多爾西(Dorsey), EM常數299710±30-280 ppm誤差
1926阿爾伯特·A·米歇爾森(Albert A. Michelson) ,旋轉鏡子299796±4+12 ppm錯誤
1950Essen和Gordon-Smith ,腔諧振器299792.5±3.0+0.14 ppm錯誤
1958KD Froome,無線電干涉法299792.50±0.10+0.14 ppm錯誤
1972Evenson等。 ,激光干涉法299792.4562±0.0011-0.006 ppm錯誤
1983第17 CGPM,儀表的定義299 792 .458 (精確)確切,定義

早期歷史

Empedocles (公元前490 - 430年)是第一個提出光理論的人,並聲稱光具有有限的速度。他堅持認為光線正在運動,因此必須花一些時間旅行。相反,亞里士多德(Aristotle)認為“光是由於某物的存在,但這不是運動”。歐幾里得托勒密先進的Empedocles的視覺發射理論,其中光從眼睛發出,從而使視力散發出來。基於該理論,亞歷山大的蒼鷺認為,光速必須是無限的,因為諸如恆星之類的遠處的物體在睜開眼睛時立即出現。

早期的伊斯蘭哲學家最初同意亞里士多德的觀點,即光線沒有旅行速度。 1021年, Alhazen (Ibn al-Haytham)出版了《光學書籍》 ,其中他提出了一系列論點,這些論點駁回了視力理論,以支持現在所接受的intssions Intromsive理論,其中光線從對像從對象轉移到眼中。這導致Alhazen提出光必須具有有限的速度,並且光速是可變的,在較密集的體中降低。他認為光是實質性的,即使這是從感官中隱藏的,它的傳播也需要時間。同樣在11世紀, AbūRayhānal-Bīrūnī同意光的速度有限,並且觀察到光速比聲音速度快得多。

在13世紀,羅傑·培根(Roger Bacon)認為,使用阿爾哈zen和亞里士多德(Alhazen)和亞里士多德(Aristotle)撰寫的哲學論點,空氣中的光速不是無限的。在1270年代,維特洛(Witelo)考慮了在真空中以無限速度行駛的光線,但在密度較差的體內卻放慢了速度。

在17世紀初期,約翰內斯·開普勒(Johannes Kepler)認為,由於空白空間沒有障礙,因此光速是無限的。雷內·笛卡爾(RenéDescartes)認為,如果光速是有限的,那麼在月食期間,太陽,地球和月亮將明顯擺脫對齊。儘管考慮到光的畸變時,這種論點失敗了,但直到下個世紀,後者才被認可。由於尚未觀察到這種未對準,笛卡爾得出結論的光速是無限的。笛卡爾推測,如果發現光速是有限的,他的整個哲學體係可能會被拆除。儘管如此,笛卡爾在推導斯內爾定律的推導下,認為與光相關的某種動作在密集的媒體中速度更快。皮埃爾·德·費馬特(Pierre de Fermat)使用相反的假設得出了斯內爾(Snell)的定律,較密集的介質較慢的光傳播。費馬特還爭論了有限的光速。

首次測量嘗試

1629年,艾薩克·貝克曼(Isaac Beeckman)提出了一個實驗,其中一個人觀察了大砲的閃光,從鏡子裡反射了一英里(1.6公里)。 1638年,伽利略·伽利略(Galileo Galilei)提出了一個實驗,顯然聲稱幾年前進行了一次實驗,以通過觀察發現燈籠和其感知之間的延遲來測量光速。他無法區分輕行程是否是瞬時的,但得出結論,如果不是瞬時,那一定要迅速。 1667年,佛羅倫薩的Accademia del Cimento報告說,它已經進行了伽利略的實驗,燈籠隔開了約一英里,但沒有觀察到延遲。該實驗的實際延遲大約是11微秒

A diagram of a planet's orbit around the Sun and of a moon's orbit around another planet. The shadow of the latter planet is shaded.
Rømer對地球IO的神秘性的觀察

OleRømer在1676年對光速進行了第一個定量估計。從觀察到木星最內向的月亮時期IO的時期似乎比從木星接近木星時要短,他得出的結論是,光線以有限的速度行駛,估計需要22分鐘的光線才能穿過22分鐘地球的軌道。克里斯蒂亞·霍根斯(Christiaan Huygens 220 000 km/s ,比實際值低27%。

艾薩克·牛頓(Isaac Newton)在他的1704年書籍中報導了羅默(Rømer)對光速有限速度的計算,並在光線從太陽到達地球的光線中的價值為“七或八分鐘”(現代價值為8分鐘19秒)。牛頓詢問了Rømer的日食陰影是否有色。他聽到他們不是,他得出結論,不同顏色以相同的速度傳播。 1729年,詹姆斯·布拉德利(James Bradley)發現了出色的像差。他從這種效果中確定,光的行進速度必須比其軌道上的地球快10,210倍(現代人物的速度快10,066倍),或者等效地,從太陽到達地球將需要8分12秒鐘的光線。

與電磁的連接

19世紀315 000 km/s萊昂·福柯(LéonFoucault)改善了他的方法1862298 000 km / s 價值非常接近Fizeau直接測量的光速。次年,古斯塔夫·基希霍夫(Gustav Kirchhoff)計算出,電線中的電信號以這種速度沿著電線傳播。

在1860年代初,麥克斯韋(Maxwell)表明,根據他正在處理的電磁論理論,電磁波在空空間中以等於上述韋伯/kohlrausch的比率在空空間中傳播,並引起人們對這種值與該值的數值接近性的注意菲佐(Fizeau)測得的光速,他提出光實際上是電磁波。麥克斯韋(Maxwell)通過1868年在哲學交易中發表的自己的實驗來支持他的主張,該交易決定了電力的靜電和電磁單位的比率。

“發光的以太”

Hendrik Lorentz(右)與Albert Einstein(1921)

人們認為,當時空白空間充滿了一種稱為發光磁場的液體以太的背景介質。一些物理學家認為,這種以太作為光傳播的首選參考框架,因此應該通過測量光速的各向同性來測量地球相對於該介質的運動。從1880年代開始進行了幾項實驗以檢測這一運動,其中最著名的是Albert A. MichelsonEdward W. Morley在1887年進行的實驗。檢測到的運動始終小於觀察誤差。現代實驗表明,雙向光的速度是各向同性(每個方向相同)至每秒6納米以內的。

由於這項實驗,亨德里克·洛倫茨(Hendrik Lorentz)提出,儀器通過以太的運動可能導致設備沿運動方向沿其長度收縮,他進一步假設還必須相應地更改移動系統的時間變量(“局部)時間”),這導致了洛倫茲變換的表述。基於洛倫茲的以太理論亨利·龐卡雷(HenriPoincaré,1900年)表明,在以太中移動的時鐘(在v / c中的一階)(在v / c中的一階)表示,在恆定光速的假設下是同步的。 1904年,他推測光速可能是動力學的限制速度,只要洛倫茲理論的假設都得到了證實。 1905年,龐加萊(Poincaré)將洛倫茲(Lorentz)的以太理論與相對性原則完全達成了觀察性的共識。

特殊相對論

1905年,愛因斯坦(Einstein)從一開始就假設,通過非加速觀察者測量的真空速度與源或觀察者的運動無關。利用這一點和相對論的原理作為基礎,他得出了相對論的特殊理論,在該理論中,真空C中的光速作為基本常數,也出現在與光無關的上下文中。這使得固定以太的概念(洛倫茲和龐加萊仍然遵守)毫無用處,並徹底改變了時空的概念。

C提高C的精度和儀表的重新定義和第二

在20世紀下半葉,在提高光速測量速度的準確性方面取得了很大進展,首先是通過空腔共振技術,然後是激光干涉儀技術。這些儀表和第二個儀表的定義得到了幫助。 1950年,路易斯·埃森(Louis Essen)確定了速度299 792 .5 ± 3.0 km/s ,使用腔共振。該值是由1957年無線電科學聯盟的第12屆大會採用的。1960年,根據K k86的特定光譜線的波長重新定義了儀表,1967年,第二個儀表在1967年進行了重新定義。凱森-133基態的超精細過渡頻率的術語。

1972年,使用激光干涉儀法和新定義,美國國家標準局的一個組確定真空中的光速為C = 299 792 456 .2 ± 1.1 m/s 。這比先前接受的值少100倍。其餘的不確定性主要與儀表的定義有關。由於類似的實驗發現C的可比結果,第15屆權重和措施的大會建議使用該值299 792 458 m/s的光速。

定義為顯式常數

1983年,舉行的權重和度量大會第17次會議(CGPM)發現,來自頻率測量值的波長和光速的給定值比以前的標準更可重現。他們保留了1967年的第二個定義,因此剖宮產超細頻率現在可以確定第二個和儀表。為此,他們將儀表重新定義為“在1/的時間間隔內通過真空中光線傳播的路徑的長度299 792 458一秒鐘。”

由於這個定義,真空速度的價值正是299 792 458 m/s ,並已成為SI單元系統中的定義常數。改進的實驗技術,在1983年之前,它將測量光速不再影響SI單元中光速的已知值,而是通過更準確地測量krypton-的波長來更精確地實現儀表。 86和其他光源。

在2011年,CGPM表示使用所謂的“顯式構成公式”重新定義所有七個SI基礎單元,其中每個“單位都是間接定義的,通過明確指定了公認的基本常數的確切值,例如是為了光速而完成的。它提出了一個新的但完全等效的儀表的措辭:“儀表,符號m是長度的單位;它的幅度是通過固定真空中光速的數值來設置的,以便於完全等於299 792 458在SI單元MS -1中表達時。“這是2019年重新定義SI基礎單元的變化之一,也稱為新的SI

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