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8. 实验室内测光速
天文学测光速是利用长基线( 星球之间的距离) 的原理， 像伽利略那样测光速， 则要求测量出极短的时间间隔。到19 世纪中叶， 物理学家找到很好的办法测量光速了。
1849 年， 法国物理学家菲索设计了一个实验， 他用的装置并不复杂。光源发出的光， 经过一个45°角的反射镜( 也可以透射)， 使光线改变90°的方向， 让光线穿过一个高速旋转的齿轮。光线穿过齿轮后， 经平面镜反射又回到齿轮， 如果这时光线不能穿过齿轮的齿隙， 就要加大齿轮的转速， 直到光线恰好穿过齿隙。
如何计算光速呢？ 光信号第一次穿过齿隙， 到达反射镜的距离是已知的， 设为l； 又返回到齿轮， 则光行进了2l 。这期间齿轮恰好转过一个齿， 设它转过的角度为2Q， 再设2Q 齿轮的转速为w， 则齿轮转过2Q 所用的时间为w 。同时，光线行进2l 所花的时间为2l C ， 其中C 为光速。由此可以得到二者的时间等式： 2Q 2l=wC
则C= wl 。
Q 菲索在巴黎郊外做了这个实验， 从苏冷到蒙玛特勒的距离为8 ， 633 米。他设计的齿轮齿数为720 齿。1 秒钟内转动12. 67 圈时， 光线经一个齿隙所用的时间为：
111 1
2 ×720 ×12.67 =18， 244 秒。
这样就算出光速为：
C=2 ×8 ， 633 ×18， 244= 315， 000 公里/ 秒。
由于是用齿轮遮挡光线， 菲索就称此法为遮断法。
菲索的实验， 使人类首次在实验室内测得光速。这个实验经过物理学家的改进， 得到几种测光速的方法。
1862 年， 法国科学家傅科发明了一种转镜法。傅科利用一个高速旋转的反射镜。由此测得的光速值为298 ， 000 公里/ 秒。
美国物理学家迈克尔逊把菲索的遮断法和傅科的转镜法结合起来， 测得的光速要更精确。他选用了一个正八面钢质棱镜。
迈克尔逊准确地测出加利福尼亚州的威尔逊山和圣安东尼山之间的距离为22 英里。他把光源、八面形镜子和望远镜装在威尔逊山上， 又把凹面镜和平面镜装在圣安东尼山上。
迈克尔逊的测量原理同菲索和傅科的原理是一样的。为了得到精确的光速值， 迈克尔逊花了好几年的时间才完成测量， 其中两山头的间距又由美国东海岸大地测量局测定， 其值为35， 385.5 米， 准确程度达七百万分之一。
迈克尔逊得到的光在空气中的行进速度值为299 ， 729 公里/ 秒。此后， 迈克尔逊又反复测量了光速， 前后长达50 年。
科学家们还设计了一种新实验。我们知道， 光是一种电磁波， 它也符合公式Cλ=，νλ或写作C= ν，其中λ是光波波长， υ是光波频率。从这个关系可知， 测量光的波长和频率就可以得到光速值。
20 世纪40 年代以来， 科学家发明一种“微波空腔法”。这种方法是测定封闭在金属管中传输的微波波长和微波共振频率， 这个波长值换算成在真空中传输的波长， 利用C= λν就可得光速。经实际测定， 得到的光速值为：299， 792. 5 公里/ 秒。
这种测量方法也可移植到光波上， 但是， 最初的尝试失败了。当激光出现后， 这种测量方法才获得成功。物理学家利用氦氖激光器测得光速值为299 ， 792. 4562 公里/ 秒。这差不多比以前的测量精确度提高了100 倍。
1972 年， 美国科学家的测量得到最终的光速值， 它的值是( 299 ， 792 ， 458 ±1. 2) 米/ 秒， 从而结束了长达300 多年测量光速的历史。
从上面5 种测量光速的方法可见， 从伽利略开始， 物理学家的测量方法不断地改进着。遮断法( 也叫齿轮法) 和转镜法的测量误差分别是200 公里/ 秒和500 公里/ 秒， 旋转棱镜法的误差是4 公里/ 秒， 微波空腔法和激光法的误差则只有0. 4 公里/ 秒和1. 1 米/ 秒。
光速测量的意义是非常重要的。例如测量月地距离， 宇航员登上月球后， 有一件事就是安装角状反射器。用角状反射器测量激光脉冲从地球到月球再返回地球的时间， 它乘以光速再除以2 就得到月地距离。没有准确的光速值， 月地距离值也是不准确的。
作为一个重要的物理常数， 光速在定义一些物理单位上有着重要的作用。例如， 国际单位制中长度的主单位――米的标准就与光速有关。1983 年10 月的国际计量大会上， 专家们对米重新定义： “米是光在真空中299， 792， 458 秒的时间间隔内行程的长度。”
1849 年， 法国物理学家菲索设计了一个实验， 他用的装置并不复杂。光源发出的光， 经过一个45°角的反射镜( 也可以透射)， 使光线改变90°的方向， 让光线穿过一个高速旋转的齿轮。光线穿过齿轮后， 经平面镜反射又回到齿轮， 如果这时光线不能穿过齿轮的齿隙， 就要加大齿轮的转速， 直到光线恰好穿过齿隙。
如何计算光速呢？ 光信号第一次穿过齿隙， 到达反射镜的距离是已知的， 设为l； 又返回到齿轮， 则光行进了2l 。这期间齿轮恰好转过一个齿， 设它转过的角度为2Q， 再设2Q 齿轮的转速为w， 则齿轮转过2Q 所用的时间为w 。同时，光线行进2l 所花的时间为2l C ， 其中C 为光速。由此可以得到二者的时间等式： 2Q 2l=wC
则C= wl 。
Q 菲索在巴黎郊外做了这个实验， 从苏冷到蒙玛特勒的距离为8 ， 633 米。他设计的齿轮齿数为720 齿。1 秒钟内转动12. 67 圈时， 光线经一个齿隙所用的时间为：
111 1
2 ×720 ×12.67 =18， 244 秒。
这样就算出光速为：
C=2 ×8 ， 633 ×18， 244= 315， 000 公里/ 秒。
由于是用齿轮遮挡光线， 菲索就称此法为遮断法。
菲索的实验， 使人类首次在实验室内测得光速。这个实验经过物理学家的改进， 得到几种测光速的方法。
1862 年， 法国科学家傅科发明了一种转镜法。傅科利用一个高速旋转的反射镜。由此测得的光速值为298 ， 000 公里/ 秒。
美国物理学家迈克尔逊把菲索的遮断法和傅科的转镜法结合起来， 测得的光速要更精确。他选用了一个正八面钢质棱镜。
迈克尔逊准确地测出加利福尼亚州的威尔逊山和圣安东尼山之间的距离为22 英里。他把光源、八面形镜子和望远镜装在威尔逊山上， 又把凹面镜和平面镜装在圣安东尼山上。
迈克尔逊的测量原理同菲索和傅科的原理是一样的。为了得到精确的光速值， 迈克尔逊花了好几年的时间才完成测量， 其中两山头的间距又由美国东海岸大地测量局测定， 其值为35， 385.5 米， 准确程度达七百万分之一。
迈克尔逊得到的光在空气中的行进速度值为299 ， 729 公里/ 秒。此后， 迈克尔逊又反复测量了光速， 前后长达50 年。
科学家们还设计了一种新实验。我们知道， 光是一种电磁波， 它也符合公式Cλ=，νλ或写作C= ν，其中λ是光波波长， υ是光波频率。从这个关系可知， 测量光的波长和频率就可以得到光速值。
20 世纪40 年代以来， 科学家发明一种“微波空腔法”。这种方法是测定封闭在金属管中传输的微波波长和微波共振频率， 这个波长值换算成在真空中传输的波长， 利用C= λν就可得光速。经实际测定， 得到的光速值为：299， 792. 5 公里/ 秒。
这种测量方法也可移植到光波上， 但是， 最初的尝试失败了。当激光出现后， 这种测量方法才获得成功。物理学家利用氦氖激光器测得光速值为299 ， 792. 4562 公里/ 秒。这差不多比以前的测量精确度提高了100 倍。
1972 年， 美国科学家的测量得到最终的光速值， 它的值是( 299 ， 792 ， 458 ±1. 2) 米/ 秒， 从而结束了长达300 多年测量光速的历史。
从上面5 种测量光速的方法可见， 从伽利略开始， 物理学家的测量方法不断地改进着。遮断法( 也叫齿轮法) 和转镜法的测量误差分别是200 公里/ 秒和500 公里/ 秒， 旋转棱镜法的误差是4 公里/ 秒， 微波空腔法和激光法的误差则只有0. 4 公里/ 秒和1. 1 米/ 秒。
光速测量的意义是非常重要的。例如测量月地距离， 宇航员登上月球后， 有一件事就是安装角状反射器。用角状反射器测量激光脉冲从地球到月球再返回地球的时间， 它乘以光速再除以2 就得到月地距离。没有准确的光速值， 月地距离值也是不准确的。
作为一个重要的物理常数， 光速在定义一些物理单位上有着重要的作用。例如， 国际单位制中长度的主单位――米的标准就与光速有关。1983 年10 月的国际计量大会上， 专家们对米重新定义： “米是光在真空中299， 792， 458 秒的时间间隔内行程的长度。”
