当前位置:主页 > Y慢生活 >[物理史] 菲左(Armand Fizeau)发表光速实验的

[物理史] 菲左(Armand Fizeau)发表光速实验的

2020-06-10249



(译自APS News,2010年7月)

[物理史] 菲左(Armand Fizeau)发表光速实验的

菲左(Armand Fizeau)

光速在物理学上是最为确立的数值之一,它被测得的值非常精确,所以现在的公尺以它来定义。但在 17 世纪之前,大多数的科学家,包括如克卜勒(Johannes Kepler)和笛卡儿(Rene Descartes)等大师都认为光速是无穷快的,可以瞬间行走任何的距离。伽利略(Galileo Galilei)是最先对此假设提出质疑,并试着以实验方法测量光速的科学家之一。

以现在的标準来看,伽利略的方法极为简陋。他自己站在一个山顶上,请一位助理站在远处的山顶上,两人均配备有一个可自由开关的灯。伽利略会打开他的灯,他的助理一看到伽利略的灯光也会立即开灯。只要知道两个灯的距离,伽利略即可测定两道亮光之间所经过的时间,以算出光速。伽利略的结论含糊不确定不足为奇:「光速如果不是瞬间,也是超级快速。」但他却也下结论说,光速至少比声速快 10 倍。 

最先严谨地测量光速是在 1676 年,当时荷兰天文学家罗默(Ole Roemer)观察木星的卫星,注意到卫星蚀似乎都发生在不同的时期,视木星和地球的相对位置而定,当地球很远时会发生得较晚,而当地球较靠近木星时则发生得较早。他正确地推论说,此效应并不是因为卫星的轨道有真正的改变,而是因为当地球很远时,那些卫星的光行经较远的距离。他知道那时已知的地球运行轨道的直径值,从那直径值,他下结论说,光速为每秒 240,000 公里。

罗默的测量和实际值仍差很多,然而它为未来的实验提供了有用的指标。1728 年,一位名叫布拉德雷(James Bradley)的英国物理学家从累积的资料库中加入了他自己的发现,利用恆星光行差计算出光速在真空中是每秒 301,000 公里。布拉德雷的测量正确多了。然而,又经过了 100 年,法国科学家菲左(Armand-Hippolyte-Louis Fizeau)才想出了在地面上设计实验来测光速的方法。

1819 年,菲左出生于巴黎,父亲是物理学家,也是医学教授,死后留给菲左可观的财富,因此,菲左不必担心生计问题,可以自由地追求他的兴趣。他专力于科学的研究,起先想和父亲一样当个医生,但最终选择追随在巴黎天文台的阿拉戈(Francios Arago)研习天文,在那裏他毫无疑问地获知之前使用天文现象来测定光速的努力。

但是他的科学兴趣很广泛,例如,他于 1839 年迷恋上当时相当新颖的达盖尔银版摄影,并和法国科学家同行傅科(Jean-Bernard-Leon-Foucault)将此摄影过程应用到天文上。他们共花了 10 年,终于最先于 1845 年拍下了太阳表面细部的照片。

他和傅科的研究激励了菲左自己去尝试测量光速。菲左建造了一个仪器,裏面有一个齿轮和一面镜子相隔 8 公里,他在其间传送光波。菲左转动齿轮,观察光束在轮子的轮齿和远处的镜子之间走得有多快;他观察到,假如他非常快速地转动轮子,从镜子回来的反射会模糊,因为光碰撞到了其中一个轮齿。

菲左下结论说,轮子转动一个轮齿宽所花的时间和光束来回镜子的时间是相同的。因为他知道齿轮转动的速度、一个轮齿的宽度、以及和镜子间的距离,所以可以计算出光速,得到的值是每秒 313,300 公里,仍多出大约 5%。

傅科稍加改进菲左的仪器,以旋转的镜子取代齿轮,得到现在为人所知的菲左–傅科仪。当镜子转动时,光线会从不同的角度反射。因为转动的速度和镜子间的距离都已固定好,所以可以测量光进入仪器的角度和它离开时的差距,从而算出光速。傅科于 1862 年下结论说,光速是每秒 299,796 公里。

菲左对科学的贡献并不仅限于光速的测定,他之后在测量光如何行经流动液体的实验时获得了意外的发现:当光行经运动中的介质时,速度不会如预期地改变。科学家已知光行经不同介质时的速率不同,但直到菲左的实验之前,他们相信假如介质是动态时,只要将介质的速度加上光的速度即可得到光速。菲左的结果意味着不同的公式,后来当爱因斯坦发展出他的特殊相对论后,对此得到了解释。

之后测量光速的方法都使用波的干涉,而迈克生是其中的佼佼者。这些方法随着雷射科技的发展而越来越精确,现在,距伽利略山顶上的实验 350 多年后,光速值被定义为每秒 299,792.458 公里,这是 1983 年第 17 届国际度量衡大会所宣定的,而将公尺变成了推导量。此结果是由 100 多位科学家所做的大约 163 个不同的实验所获得,是科学界合作本质的证明。


原文刊载于物理双月刊2014年8月号36卷第4期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。