真空中电磁波的传播速度是一个重要的物理量,人们最初通过测量可见光的传播速度得到它的数值,因此称为光速。国际公认的真空中光速的数值为с=299 792 458米/秒。真空中各种波长的光的传播速度都是
。物质中波长不同的光其传播速度一般是不同的,折射率为
的介质中光的相位传播的速度(相速)为
。
光速
真空中电磁波的传播速度。
- 英文名称
- velocity of light
- 所属学科
- 物理学
历史上,伽利略是最早试图测定光速的人。但由于光速太快,限于当时的技术条件,伽利略的实验没有得到结果。最早由观测得出光以有限速度传播的是丹麦天文学家O.罗默。1676年,他根据木卫一的星食(木星的第一颗卫星环绕木星运行时被木星挡住光),发现星光通过地球轨道的直径约需22分钟。C.惠更斯由此算出光速的值为2.1×108米/秒。由于这个值非常大,当时并未得到公认。直到1728年,英国天文学家J.布拉德雷根据恒星的光行差,求得光速的值为3.1×108米/秒,人们才接受光的速度非常大这一事实。1849年,法国物理学家A.H.L.斐索用旋转齿轮的方法,第一个在实验室的条件下测出了光速,得到с=3.12×108米/秒。1926年,美国实验物理学家A.A.迈克耳孙用旋转镜法改进了斐索实验,他用了一个八面体的转镜,测量的光速平均值为299 796±4千米/秒。1929年,他又在真空中重复了上述实验,平均值为299 774千米/秒。后来,有人用光电开关代替齿轮转动来改进斐索实验,称为克尔盒法。这种方法比旋转镜法的准确度(10-5量级)又有所提高,达到了10-7量级。1952年,英国实验物理学家K.D.弗罗姆用微波干涉仪法测量光速值,得到数值为c=299 792.50±0.10千米/秒。1957年,国际无线电科学协会(URSI)、国际大地测量学与地球物理学协会(IUGG)分别推荐上述结果作为国际推荐值使用。1972年,美国标准局的K.M.埃文森等人采用直接测量激光频率和真空波长值的方法,用两者的乘积得出真空中光速值,с=299 792 458±1.2米/秒。
1973年召开的第5届米定义咨询委员会和1975年召开的第15届国际计量大会先后确认上述光速值作为国际推荐值使用,它的不确定度为±4×10-9,与当时米定义氪-86橙黄谱线复现不确定度相同。由于真空中光速值的准确测量以及激光频率稳定和粗密测频技术的发展,促使米的定义发生了根本性的变革。1983年10月召开的第17届国际计量大会已经通过了新的米定义,即“米是光在真空中在1/299 792 458秒的时间间隔内行程的长度。”在规定的三种复现方法中均明确指出,真空中光速的数值为с=299792458米/秒。在上述新的米定义中,真空中光速的数值已是一个定义值,通过这个定义值,长度单位米与时间单位秒直接联系在一起,而不再是一个与其他基本单位无关的独立基本单位,光速已成为定义值。
A.爱因斯坦在狭义相对论中曾提出两个著名的原理──相对性原理和光速不变原理。后者是指光在不同惯性系中速度相同,真空光速与光源的运动、光的频率、光的传播方向等均无关系。
扩展阅读
- 张元仲.狭义相对论的实验基础.北京:科学出版社,1994.