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奥林巴斯显微镜:光速是多少?

2013-10-16  发布者:admin 

在外层空间的某个地方,数十亿光年,从地球的宇宙大爆炸,原来光正在开辟新的理由,因为它继续向外移动。与之形成鲜明对比的是,另一种形式的电磁辐射在地球上的起源,无线电波从就职现场情节露西显示广播首屈一指的深空某处,虽然大大减少幅度。

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这两个事件背后的基本概念包括以光的速度(和所有其他形式的电磁辐射),哪些科学家已经彻底检查,并表示为一个恒定值方程的符号c表示不是真正的常数,而是在真空中的最大速度,光的速度,这是几乎是每秒30万公里,可以被操纵,通过改变媒体或量子干涉。

行进的光在均匀的物质,或介质,在一个相对恒定的速度在一条直线传播,除非它被折射,反射,衍射,或以其他方式扰动。这种行之有效的科学事实是不是原子时代,甚至是文艺复兴时期的产物,但最初是古希腊学者,欧几里德,某处公元前350年左右在他的里程碑式的论文光学推广然而,光的强度(和其他电磁辐射)行进的距离的平方成反比。因此,在光的足迹给定的距离的两倍,由四个因素的强度下降。

当通过空气传播的光进入不同的介质,如玻璃或水时,减少的速度和波长的光(参见图2),虽然频率保持不变。光速在真空中,其中有一个折射率为1.0每秒约30万公里,但它会减慢至225,000公里每秒在水中(折射率为1.3,参见图2)和20万公里每秒在玻璃(折射率指数为1.5)。钻石,具有相当高的折射率为2.4,光的速度被降低到一个相对的抓取(125,000公里每秒),其在真空中的最大速度小于约60%。

由于巨大的外星系之间的空间(见图1),光在银河系内恒星之间的辽阔公里没有测量,而是光年的旅程,远近光旅行的一年。一光年等于95000亿公里,或约5.9万亿英里。到下一个最近的恒星半人马座比邻星超出了我们的太阳,距离地球约4.24光年。相比之下,估计银河系的直径约15万光年,和仙女座星系的距离是约221万光年。这意味着离开仙女座星系的光221万年以前刚刚到达地球,除非它被伏击反映天体或折射碎片。

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当天文学家凝视夜空,他们观察实时的混合物,最近,和古老的历史。例如,期间描述开拓巴比伦人,阿拉伯占星家,希腊天文学家的恒星星座,天蝎座天蝎座占星家)仍然有鞭尾的蝎子。这个星座尾星等人在曾出现500和公元前1000年之间在天空中的新星,但不再可见今天的观赏流星。虽然一些地球夜空中观察到的恒星,有光波携带自己的形象早已灭亡,仍然达到了人类的眼睛和望远镜。效果,光从毁灭他们(和他们的缺席的黑暗)尚未越过深空,因为时间不足的巨大距离。

第一记录哲学家恩培多克勒,谁住Acragas公元前450年左右,是一个推测,光用有限的速度旅行。几乎一千年后,公元525年左右,罗马学者和数学家Anicius伯蒂乌斯的企图记录光的速度,但被指控叛国罪和巫术,被斩首,他的科学事业。黑火药,烟火信号由中国最早的应用以来,男人想知道光的速度。随着闪光灯的光与色的前几秒钟的爆炸声,也没有严重的计算需要认识到,光的速度明显超过了音速。

背后的秘​​密炸药中国向西方作出自己的方式在中间的13世纪,并与他们,来到光速的问题。在此期间,其他研究者必须考虑紧随其后,声声雷鸣,典型的雷暴闪电,但没有提供合理的科学解释的性质,拖延。阿拉伯学者海桑是第一次严重的光学科学家建议(公元1000年左右),光有一个有限的速度,公元1250年,英国光学先驱罗杰培根写道,光的速度是有限的,虽然非常迅速。不过,在此期间广泛持有的大多数科学家认为光的速度是无限的,无法衡量。

在1572年,丹麦著名天文学家第谷​​·布拉赫是第一次描述的一颗超新星,发生在仙后星座看完“新明星”突然出现在天空,慢慢地加大亮度,然后淡出超过18个月的期间,天文学家迷惑不解,但好奇。这些新天体异象开车布拉赫和他同时代的质疑广泛举行的概念,一个完美的和不变的宇宙中有无限光速。光的信念,有着无穷的速度是难以取代的,虽然有少数科学家们开始质疑光速的速度在16世纪。作为为1604年年底,德国物理学家开普勒推测,光的速度是瞬时的。他又说,他发表的笔记真空的空间没有减缓光的速度下降,阻碍了,在有限的程度上,追求他的同时代醚,理应充满空间,并进行光。

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望远镜发明和一些相对原油精炼后不久,丹麦天文学家奥勒罗默(1676)是第一位科学家作出了严格的尝试估计光的速度。通过研究木星的卫星木卫一和频繁的日食,罗默是能够预测日食期间的周期性的月亮(图3)。然而,几个月后,他发现,他的预言慢慢变得不太准确逐步更长的时间间隔,达到最大的误差为约22分钟(一个相当大的差异,考虑如何在那段时间跨度远光)。然后,只是奇怪的是,他的预言再次成为在几个月更准确,周期重演。罗默在巴黎天文台工作,很快就意识到,所观察到的不同而引起的变化在地球和木星之间的距离,由于行星的轨道路径。由于木星移到远离地球,光有一个较长的距离旅行,花更多的时间来到达地球。应用相对不准确的计算期间地球和木星之间的距离,罗默是能够估计光的速度每秒约137,000英里(或22万公里)。图3说明了再现原始图纸由罗默划定他利用的方法来确定光速。

罗默的工作激起了科学界,关于无限光速,许多研究者开始重新考虑他们的猜测。例如艾萨克·牛顿爵士,写在他的里程碑式的1687年论文哲学的“自然Prinicipia数学(自然哲学的数学原理),“因为现在某些现象,木星的卫星,由不同的天文学家的观测证实,即光的传播在继承和需要大约七八分钟,从太阳到地球“,这实际上是一个非常接近的估计正确光速旅行。牛顿受人尊敬的意见和广泛的声誉,为在跳开始科学革命,并推出了新的研究,科学家们现在通过光的速度有限。

线提供一个有用的光的速度估计在接下来的英国物理学家詹姆斯·布拉德利。在1728年,牛顿去世一年后,布拉德利估计,光在真空中的速度是每秒约301,000公里,使用恒星畸变。这些现象都表现出一个明显的变化,由于地球绕太阳的运动的恒星的位置。恒星光行差的程度,可以从地球的轨道上的速度的比率,以确定光的速度。通过测量恒星光行差的角度和运用这些数据来对地球的轨道速度,布拉德利是能够到达一个非常准确的估计。

1834年,查尔斯惠斯通爵士的万花筒,发明家和科幻的音效的先锋,试图电力的速度来衡量。惠斯通发明了一种装置,利用旋转的镜子和莱顿瓶通过一个电容放电生成和时钟的运动通过将近8英里的电线火花。不幸的是,他的计算(也许是他的仪表)错误到这种程度,惠斯登电估计电力在288,000英里每秒的速度,一个错误,使他相信,电力行驶速度比光快。惠斯登电的研究后来扩大后,由法国科学家多米尼克·弗朗索瓦·吉恩阿拉戈。虽然他没有完成他的工作,未能在1850年之前,他的视力,阿拉戈正确的推测,光前往水比空气慢。

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与此同时,在法国,独立的对手的科学家阿尔芒菲佐和让 - 伯纳德 - 莱昂福柯试图测量光的速度,而不依靠天体事件,阿拉戈的发现和利用,扩大惠斯登电旋转镜仪器设计。在1849年,斐索设计闪过光束的一种装置,通过一个齿轮(而不是旋转的反射镜),然后到5.5英里远的距离定位在一个固定的反射镜。他以极快的速度旋转的车轮,能够引导光束通过两个牙齿之间的缝隙向外的旅程,并在邻近的差距在回来的路上赶上反射光线。有了车轮速度和行驶距离脉冲光,菲佐能够计算出光的速度。他还发现了光的传播速度在空气中比在水中(确认阿拉戈的假说),同胞福柯事实上,后来通过实验证实。

福柯采用压缩空气涡轮机来测量光速驱动快速旋转的镜子。在他的装置(参见图4),一个狭窄的光束的光通过的孔,然后通过玻璃窗口(也作为一个分束器),快速旋转的反射镜的影响之前,精细刻度。从纺纱镜引导通过旨在增加仪器的路径长度约20米的大小没有相应增加以Z字形的电池的固定反射镜反射的光。的时间量,它反映了光通过一系列的反射镜,并返回到旋转镜,镜中的位置发生轻微的移位。随后,从偏移的位置的旋转镜子反射的光如下一个新的通路返回到源并进入安装在仪器上的显微镜。光线的微小的转变可以看出,通过显微镜观察,记录。从他的实验中收集到的数据进行分析,福柯为298,000公里每秒(每秒约185,000英里),能够计算出光的速度。

光路在福柯的设备是足够短,以用来测量光的速度比空气通过其他媒体。他发现,在水或玻璃光的速度在空气中的值的大约三分之二,他还得出结论,通过给定的介质是成反比的折射率的光的速度。这种显着的结果是关于光的行为开发了数百年前从波浪理论光的传播与预测一致。

一名波兰出生的美国物理学家艾伯特·迈克尔逊按照福柯的铅,试图以提高精度的方法,并成功地测量光的速度在1878年版本的设备以及更复杂的2,000英尺高的墙衬砌银行英国的塞文河。投资于高品质的集中和反映一个更长的途径比福柯利用光束的透镜和反射镜,迈克尔逊每秒(每秒)299909公里186355英里计算出最终的结果,让可能的错误每秒约30英里。由于他的实验设计的复杂性增加,迈克尔逊的测量精度大于福柯的20倍以上。

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在19世纪末,它仍然相信大多数科学家利用载体介质的光通过空间传播称为迈克尔逊科学家爱德华·莫利在1887年合作设计的实验方法检测醚通过观察光速的相对变化,地球完成其轨道围绕太阳。为了完成这个目标,他们设计的干涉仪的光束分割和重新定向的各个光束通过两种不同的途径,每个的长度超过10米,使用一个复杂的反射镜阵列。迈克尔逊和莫利的理由是,如果地球行驶通过醚介质中,光束来回反射垂直于乙醚中的流动将必须移动的平行束反射到醚的比。其结果将是在一个可检测到的光束时,光束通过干扰复合的延迟。

迈克尔逊和莫雷的实验装置建成由块状(见图5)。安装在缓慢旋转五英尺见方,14英寸厚的石板,进一步的保护,该仪器由一个基本的汞池,作为一个无摩擦的减震器,以消除来自地球的振动。板坯一旦被设置成运动,达到最高时速为每小时10转,花了几个小时再次达到停下。通过光分束器,由所述反射镜系统的反射,干涉条纹用显微镜检验,但什么都未观察到。然而,迈克尔逊利用准确地确定光的速度每秒在186320英里(每秒299853公里),在未来25年为标准值,站在他的干涉。迈克尔逊 - 莫雷实验的故障检测光的速度变化在运动结束醚争论,终于入土为安由阿尔伯特·爱因斯坦的理论在20世纪初年的开端。

在1905年,爱因斯坦发表他的狭义相对论,广义相对论在1915年。第一种理论,以恒定的速度相对于另一个物体的运动,而第二个集中在与重力的加速度及其链接。因为他们挑战了许多长期存在的假设,如牛顿运动定律,爱因斯坦的理论在物理学革命的力量。相对论的思想体现的概念,才能决定一个对象的速度相对于观察者的位置。作为一个例子,一个人走内的客机出现在参考帧中的飞机(它本身移动时每小时600英里)在大约一英里每小时。然而,在地面上的观察者,该男子似乎是在601英里每小时的移动。

爱因斯坦在他的计算,假设光速往返两个参照系观察员在这两个位置保持不变。因为在一帧中使用一个观测器的光在另一帧中,这样的改变观察者可以以何种方式涉及的对象的位置和速度,以确定对象的位置和速度。爱因斯坦采用这个概念,得出一些重要的公式描述了如何在一个参照系的对象时出现从另一个是匀速运动,相对于第一。他的结果导致了一些不寻常的结论,虽然仅影响变得明显,当一个对象的相对速度接近光速。综上所述,重大影响爱因斯坦的基本理论和他经常引用的相对论公式:

E = MC 2

可以概括如下:

  • 一个目的减小的长度,相对于一个观察者,作为该对象的增加的速度。

  • 当一个参考框架是移动的,时间间隔变短。换句话说,在或接近光速的速度移动的空间的旅客可以离开地球多年,并返回经历只有几个月的时间间隔的。

  • 一个移动物体随它的速度,并作为速度接近光速的速度,质量接近无穷大的质量。出于这个原因,人们普遍认为,旅行的速度比光的速度是不可能的,因为一个无限量的能量会被要求加速无限质量。

尽管爱因斯坦的理论影响了整个物理世界,它的科学家们正在研究光有特别重要的意义。理论解释为什么迈克尔逊 - 莫雷实验未能产生预期的结果,阻止进一步严肃的科学调查为载体介质的性质乙醚。它还表明,没有什么可以移动的速度比光在真空中的速度,这个速度是恒定的和不变的值。同时,实验科学家继续应用日益精密的仪器,在光的速度正确的值为零,减少了在其测量误差。

测量光速
研究者 方法 估计
公里
/秒
1667 Galileo Galilei 涵盖灯笼 333.5
1676 Ole Roemer 木星的卫星 220,000
1726 James Bradley 恒星光行差 301,000
1834 Charles Wheatstone 旋转镜 402336
1838 François Arago 旋转镜  
1849 Armand Fizeau 旋转轮 315,000
1862 Leon Foucault 旋转镜 298,000
1868 James Clerk Maxwell 理论计算 284,000
1875 Marie-Alfred Cornu 旋转镜 299,990
1879 Albert Michelson 旋转镜 299,910
1888 Heinrich Rudolf Hertz 电磁辐射 300000
1889 Edward Bennett Rosa 电气测量 300000
1890s Henry Rowland 光谱 301,800
1907 Edward Bennett Rosa and Noah Dorsey 电气测量 299788
1923 Andre Mercier 电气测量 299795
1926 Albert Michelson 旋转镜(干涉) 299798
1928 August Karolus and Otto Mittelstaedt 克尔细胞快门的 299,778
1932年至1935年 Michelson and Pease 旋转镜(干涉) 299774
1947 Louis Essen 谐振腔 299,792
1949 Carl I. Aslakson 肖兰雷达 299,792.4
1951 Keith Davy Froome 射电干涉仪 299,792.75
1973 Kenneth M. Evenson 激光 299,792.457
1978 Peter Woods and Colleagues 激光 299,792.4588
表1

在十九世纪晚期,在无线电和微波技术的进步提供了新的方法,测量光的速度。德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹在1888年,超过200年后,罗默的开拓天体观测,测量无线电波的速度。赫兹值接近每秒30万公里,到达确认詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的理论,无线电波和光两种形式的电磁辐射。20世纪40年代和50年代期间收集其他证据,当英国的物理学家基思·戴维Froome路易埃森的的采用无线电波和微波,分别能够更精确地测量电磁辐射的速度。

麦克斯韦也计入定义,而不是通过测量光的速度和其他形式的电磁辐射,但通过数学推导。麦克斯韦的理论,在他的研究试图找到一个电和磁之间的联系,不断变化的电场产生磁场,法拉第定律的推论相反。他提出电磁波组成的组合的振荡电场和磁场波,这些波的速度计算通过空间:

速度(V)= 1 /(ε•μ)1/2

其中,ε介电常数μ自由空间磁导率,具有相对高的精确度,可以测量两个常数。其结果是一个值,该值接近的光测得的速度。

1891年,迈克尔逊光的速度和天文学上继续他的学业,创建了一个大规模的干涉使用折射望远镜利克天文台在加利福尼亚州。根据他的观察,观看远处的物体,如星星,可以定量分析测量天体的大小和光的速度时,光的到达时间延迟。近30年后,迈克尔逊搬到他的实验威尔逊山天文台,100英寸的望远镜,在当时世界上最大的应用相同的技术。

通过将一个八角形的旋转镜进入他的实验设计,迈克尔逊到达光的速度每秒299845公里值。虽然迈克尔逊去世前完成了他的实验,他的同事弗朗西斯·皮斯在威尔逊山,继续采用创新技术进行研究,到20世纪30年代。皮斯使用修改后的干涉,几年来多次测量,终于下定决心,正确的值光速是299774公里,每秒达到该日期最接近的测量。几年后,在1941年,科学界设定的标准,以光的速度。此值时,每秒299773公里,是基于在编译期间从最精确的测量。图6展示了过去200年,光速测量的图形表示。

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到20世纪60年代末,激光成为高度定义的频率和波长的稳定的研究工具。它迅速成为明显,同时测量的频率和波长的光的速度产生一个非常精确的值,类似的实验方法使用微波炉在1958年开展的基思·戴维Froome。在美国和其他国家的几个研究小组来自碘稳频氦氖激光测得的633纳米线的频率,并得到高度精确的结果。1972年,美国国家标准与技术研究所采用激光技术来衡量的速度每秒299,792,458公尺(186282英里每秒),最终导致在仪表重新定义为光速的速度通过​​一个高度精确的估计。

罗默1676突破性的努力,开始以光的速度已至少有163次测量超过100调查(见表1汇编的方法,研究者和日期)利用多种不同的技术。随着科学的方法和设备精制而成,估计误差限制缩小,但以光的速度并没有显着改变,因为罗默的十七世纪的计算。最后于1983年,已有300多年后的第一次尝试严重的测量,光的速度被定义为299,792.458公里每秒第十七一般国会度量衡。因此,米的距离的光被定义为1/299的时间间隔期间,792458秒。然而,在一般情况下,光的速度(甚至在很多科学计算)四舍五入每秒300,000公里(或186000英里)。到达光速的标准值,重要的是建立国际单位制,使来自世界各地的科学家,他们的数据和计算进行比较。

有证据是否存在,光的速度已经放缓,因为宇宙大爆炸的时间时,它可能已经移动速度明显加快,一些研究者建议,温和的争论。虽然论据反驳延续这种辩论,大多数科学家仍然争辩说,光的速度是一个常数。物理学家指出,罗默和他的追随者的实际测量光​​速并没有显着改变,但颇有点完善了一系列相关的科学仪器与精密的测量,用于建立以光的速度增加。今天,木星和地球之间的距离是已知的具有高的精确度,因为是太阳系行星的轨道的直径。当研究人员把这些数据应用于返修过去几个世纪的计算,他们得到的值与更加现代和先进的仪器获得的光的速度。