奧林巴斯顯微鏡：光速是多少？

在外層空間的某個地方，數(shù)十億光年，從地球的宇宙大爆炸，原來光正在開辟新的理由，因為它繼續(xù)向外移動。與之形成鮮明對比的是，另一種形式的電磁輻射在地球上的起源，無線電波從就職現(xiàn)場情節(jié)露西顯示廣播首屈一指的深空某處，雖然大大減少幅度。

這兩個事件背后的基本概念包括以光的速度（和所有其他形式的電磁輻射），哪些科學(xué)家已經(jīng)徹底檢查，并表示為一個恒定值方程的符號c表示。不是真正的常數(shù)，而是在真空中的*大速度，光的速度，這是幾乎是每秒30萬公里，可以被操縱，通過改變媒體或量子干涉。

行進(jìn)的光在均勻的物質(zhì)，或介質(zhì)，在一個相對恒定的速度在一條直線傳播，除非它被折射，反射，衍射，或以其他方式擾動。這種行之有效的科學(xué)事實是不是原子時代，甚至是文藝復(fù)興時期的產(chǎn)物，但*初是古希臘學(xué)者，歐幾里德，某處公元前350年左右在他的里程碑式的論文光學(xué)推廣。然而，光的強(qiáng)度（和其他電磁輻射）行進(jìn)的距離的平方成反比。因此，在光的足跡給定的距離的兩倍，由四個因素的強(qiáng)度下降。

當(dāng)通過空氣傳播的光進(jìn)入不同的介質(zhì)，如玻璃或水時，減少的速度和波長的光（參見圖2），雖然頻率保持不變。光速在真空中，其中有一個折射率為1.0每秒約30萬公里，但它會減慢至225,000公里每秒在水中（折射率為1.3，參見圖2）和20萬公里每秒在玻璃（折射率指數(shù)為1.5）。鉆石，具有相當(dāng)高的折射率為2.4，光的速度被降低到一個相對的抓?。?25,000公里每秒），其在真空中的*大速度小于約60％。

由于巨大的外星系之間的空間（見圖1），光在銀河系內(nèi)恒星之間的遼闊公里沒有測量，而是光年的旅程，遠(yuǎn)近光旅行的一年。一光年等于95000億公里，或約5.9萬億英里。到下一個*近的恒星半人馬座比鄰星，*出了我們的太陽，是距離地球約4.24光年。相比之下，估計銀河系的直徑約15萬光年，和仙女座星系的距離是約221萬光年。這意味著離開仙女座星系的光221萬年以前剛剛到達(dá)地球，除非它被伏擊反映天體或折射碎片。

當(dāng)天文學(xué)家凝視夜空，他們觀察實時的混合物，*近，和古老的歷史。例如，期間描述開拓巴比倫人，阿拉伯占星家，希臘天文學(xué)家的恒星星座，天蝎座（天蝎座占星家）仍然有鞭尾的蝎子。這個星座尾星等人在曾出現(xiàn)500和公元前1000年之間在天空中的新星，但不再可見今天的觀賞流星。雖然一些地球夜空中觀察到的恒星，有光波攜帶自己的形象早已滅亡，仍然達(dá)到了人類的眼睛和望遠(yuǎn)鏡。效果，光從毀滅他們（和他們的缺席的黑暗）尚未越過深空，因為時間不足的巨大距離。

*記錄哲學(xué)家恩培多克勒，誰住Acragas公元前450年左右，是一個推測，光用有限的速度旅行。幾乎一千年后，公元525年左右，羅馬學(xué)者和數(shù)學(xué)家Anicius伯蒂烏斯的企圖記錄光的速度，但被指控叛國罪和巫術(shù)，被斬首，他的科學(xué)事業(yè)。*********，煙火信號由中國*早的應(yīng)用以來，男人想知道光的速度。隨著閃光燈的光與色的前幾秒鐘的爆炸聲，也沒有嚴(yán)重的計算需要認(rèn)識到，光的速度明顯*過了音速。

背后的秘密******中國向西方作出自己的方式在中間的13世紀(jì)，并與他們，來到光速的問題。在此期間，其他研究者必須考慮緊隨其后，聲聲雷鳴，典型的雷暴閃電，但沒有提供合理的科學(xué)解釋的性質(zhì)，拖延。阿拉伯學(xué)者海桑是*次嚴(yán)重的光學(xué)科學(xué)家建議（公元1000年左右），光有一個有限的速度，公元1250年，英國光學(xué)先驅(qū)羅杰培根寫道，光的速度是有限的，雖然非常迅速。不過，在此期間廣泛持有的大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為光的速度是無限的，無法衡量。

在1572年，丹麥**天文學(xué)家第谷·布拉赫是*次描述的一顆*新星，發(fā)生在仙后星座。看完“新明星”突然出現(xiàn)在天空，慢慢地加大亮度，然后淡出*過18個月的期間，天文學(xué)家迷惑不解，但好奇。這些新天體異象開車布拉赫和他同時代的質(zhì)疑廣泛舉行的概念，一個**的和不變的宇宙中有無限光速。光的信念，有著無窮的速度是難以取代的，雖然有少數(shù)科學(xué)家們開始質(zhì)疑光速的速度在16世紀(jì)。作為為1604年年底，德國物理學(xué)家開普勒推測，光的速度是瞬時的。他又說，他發(fā)表的筆記真空的空間沒有減緩光的速度下降，阻礙了，在有限的程度上，追求他的同時代醚，理應(yīng)充滿空間，并進(jìn)行光。

望遠(yuǎn)鏡發(fā)明和一些相對原油精煉后不久，丹麥天文學(xué)家奧勒羅默（1676）是*位科學(xué)家作出了嚴(yán)格的嘗試估計光的速度。通過研究木星的衛(wèi)星木衛(wèi)一和頻繁的日食，羅默是能夠預(yù)測日食期間的周期性的月亮（圖3）。然而，幾個月后，他發(fā)現(xiàn)，他的預(yù)言慢慢變得不太準(zhǔn)確逐步更長的時間間隔，達(dá)到*大的誤差為約22分鐘（一個相當(dāng)大的差異，考慮如何在那段時間跨度遠(yuǎn)光）。然后，只是奇怪的是，他的預(yù)言再次成為在幾個月更準(zhǔn)確，周期重演。羅默在巴黎天文臺工作，很快就意識到，所觀察到的不同而引起的變化在地球和木星之間的距離，由于行星的軌道路徑。由于木星移到遠(yuǎn)離地球，光有一個較長的距離旅行，花更多的時間來到達(dá)地球。應(yīng)用相對不準(zhǔn)確的計算期間地球和木星之間的距離，羅默是能夠估計光的速度每秒約137,000英里（或22萬公里）。圖3說明了再現(xiàn)原始圖紙由羅默劃定他利用的方法來確定光速。

羅默的工作激起了科學(xué)界，關(guān)于無限光速，許多研究者開始重新考慮他們的猜測。例如艾薩克·牛頓爵士，寫在他的里程碑式的1687年論文哲學(xué)的“自然Prinicipia數(shù)學(xué)（自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理），“因為現(xiàn)在某些現(xiàn)象，木星的衛(wèi)星，由不同的天文學(xué)家的觀測證實，即光的傳播在繼承和需要大約七八分鐘，從太陽到地球“，這實際上是一個非常接近的估計正確光速旅行。牛頓受人尊敬的意見和廣泛的聲譽(yù)，為在跳開始科學(xué)**，并推出了新的研究，科學(xué)家們現(xiàn)在通過光的速度有限。

線提供一個有用的光的速度估計在接下來的英國物理學(xué)家詹姆斯·布拉德利。在1728年，牛頓去世一年后，布拉德利估計，光在真空中的速度是每秒約301,000公里，使用恒星畸變。這些現(xiàn)象都表現(xiàn)出一個明顯的變化，由于地球繞太陽的運(yùn)動的恒星的位置。恒星光行差的程度，可以從地球的軌道上的速度的比率，以確定光的速度。通過測量恒星光行差的角度和運(yùn)用這些數(shù)據(jù)來對地球的軌道速度，布拉德利是能夠到達(dá)一個非常準(zhǔn)確的估計。

1834年，查爾斯惠斯通爵士的萬花筒，發(fā)明家和科幻的音效的先鋒，試圖電力的速度來衡量。惠斯通發(fā)明了一種裝置，利用旋轉(zhuǎn)的鏡子和萊頓瓶通過一個電容放電生成和時鐘的運(yùn)動通過將近8英里的電線火花。不幸的是，他的計算（也許是他的儀表）錯誤到這種程度，惠斯登電估計電力在288,000英里每秒的速度，一個錯誤，使他相信，電力行駛速度比光快。惠斯登電的研究后來擴(kuò)大后，由法國科學(xué)家多米尼克·弗朗索瓦·吉恩阿拉戈。雖然他沒有完成他的工作，未能在1850年之前，他的視力，阿拉戈正確的推測，光前往水比空氣慢。

與此同時，在法國，獨立的對手的科學(xué)家阿爾芒菲佐和讓 - 伯納德 - 萊昂?？略噲D測量光的速度，而不依靠天體事件，阿拉戈的發(fā)現(xiàn)和利用，擴(kuò)大惠斯登電旋轉(zhuǎn)鏡儀器設(shè)計。在1849年，斐索設(shè)計閃過光束的一種裝置，通過一個齒輪（而不是旋轉(zhuǎn)的反射鏡），然后到5.5英里遠(yuǎn)的距離定位在一個固定的反射鏡。他以極快的速度旋轉(zhuǎn)的車輪，能夠引導(dǎo)光束通過兩個牙齒之間的縫隙向外的旅程，并在鄰近的差距在回來的路上趕上反射光線。有了車輪速度和行駛距離脈沖光，菲佐能夠計算出光的速度。他還發(fā)現(xiàn)了光的傳播速度在空氣中比在水中（確認(rèn)阿拉戈的假說），同胞福柯事實上，后來通過實驗證實。

?？虏捎脡嚎s空氣渦輪機(jī)來測量光速驅(qū)動快速旋轉(zhuǎn)的鏡子。在他的裝置（參見圖4），一個狹窄的光束的光通過的孔，然后通過玻璃窗口（也作為一個分束器），快速旋轉(zhuǎn)的反射鏡的影響之前，精細(xì)刻度。從紡紗鏡引導(dǎo)通過旨在增加儀器的路徑長度約20米的大小沒有相應(yīng)增加以Z字形的電池的固定反射鏡反射的光。的時間量，它反映了光通過一系列的反射鏡，并返回到旋轉(zhuǎn)鏡，鏡中的位置發(fā)生輕微的移位。隨后，從偏移的位置的旋轉(zhuǎn)鏡子反射的光如下一個新的通路返回到源并進(jìn)入安裝在儀器上的顯微鏡。光線的微小的轉(zhuǎn)變可以看出，通過顯微鏡觀察，記錄。從他的實驗中收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，?？聻?98,000公里每秒（每秒約185,000英里），能夠計算出光的速度。

光路在?？碌脑O(shè)備是足夠短，以用來測量光的速度比空氣通過其他媒體。他發(fā)現(xiàn)，在水或玻璃光的速度在空氣中的值的大約三分之二，他還得出結(jié)論，通過給定的介質(zhì)是成反比的折射率的光的速度。這種顯著的結(jié)果是關(guān)于光的行為開發(fā)了數(shù)百年前從波浪理論光的傳播與預(yù)測一致。

一名波蘭出生的美國物理學(xué)家艾伯特·邁克爾遜按照?？碌你U，試圖以提高精度的方法，并成功地測量光的速度在1878年版本的設(shè)備以及更復(fù)雜的2,000英尺高的墻襯砌銀行英國的塞文河。投資于高品質(zhì)的集中和反映一個更長的途徑比?？吕霉馐耐哥R和反射鏡，邁克爾遜每秒（每秒）299909公里186355英里計算出*終的結(jié)果，讓可能的錯誤每秒約30英里。由于他的實驗設(shè)計的復(fù)雜性增加，邁克爾遜的測量精度大于福柯的20倍以上。

在19世紀(jì)末，它仍然相信大多數(shù)科學(xué)家利用載體介質(zhì)的光通過空間傳播稱為醚。邁克爾遜科學(xué)家愛德華·莫利在1887年合作設(shè)計的實驗方法檢測醚通過觀察光速的相對變化，地球完成其軌道圍繞太陽。為了完成這個目標(biāo)，他們設(shè)計的干涉儀的光束分割和重新定向的各個光束通過兩種不同的途徑，每個的長度*過10米，使用一個復(fù)雜的反射鏡陣列。邁克爾遜和莫利的理由是，如果地球行駛通過醚介質(zhì)中，光束來回反射垂直于******中的流動將必須移動的平行束反射到醚的比。其結(jié)果將是在一個可檢測到的光束時，光束通過干擾復(fù)合的延遲。

邁克爾遜和莫雷的實驗裝置建成由塊狀（見圖5）。安裝在緩慢旋轉(zhuǎn)五英尺見方，14英寸厚的石板，進(jìn)一步的保護(hù)，該儀器由一個基本的汞池，作為一個無摩擦的減震器，以消除來自地球的振動。板坯一旦被設(shè)置成運(yùn)動，達(dá)到*高時速為每小時10轉(zhuǎn)，花了幾個小時再次達(dá)到停下。通過光分束器，由所述反射鏡系統(tǒng)的反射，干涉條紋用顯微鏡檢驗，但什么都未觀察到。然而，邁克爾遜利用準(zhǔn)確地確定光的速度每秒在186320英里（每秒299853公里），在未來25年為標(biāo)準(zhǔn)值，站在他的干涉。邁克爾遜 - 莫雷實驗的故障檢測光的速度變化在運(yùn)動結(jié)束醚爭論，終于入土為安由阿爾伯特·愛因斯坦的理論在20世紀(jì)初年的開端。

在1905年，愛因斯坦發(fā)表他的狹義相對論，廣義相對論在1915年。*種理論，以恒定的速度相對于另一個物體的運(yùn)動，而第二個集中在與重力的加速度及其鏈接。因為他們挑戰(zhàn)了許多長期存在的假設(shè)，如牛頓運(yùn)動定律，愛因斯坦的理論在物理學(xué)**的力量。相對論的思想體現(xiàn)的概念，才能決定一個對象的速度相對于觀察者的位置。作為一個例子，一個人走內(nèi)的客機(jī)出現(xiàn)在參考幀中的飛機(jī)（它本身移動時每小時600英里）在大約一英里每小時。然而，在地面上的觀察者，該男子似乎是在601英里每小時的移動。

愛因斯坦在他的計算，假設(shè)光速往返兩個參照系觀察員在這兩個位置保持不變。因為在一幀中使用一個觀測器的光在另一幀中，這樣的改變觀察者可以以何種方式涉及的對象的位置和速度，以確定對象的位置和速度。愛因斯坦采用這個概念，得出一些重要的公式描述了如何在一個參照系的對象時出現(xiàn)從另一個是勻速運(yùn)動，相對于*。他的結(jié)果導(dǎo)致了一些不尋常的結(jié)論，雖然僅影響變得明顯，當(dāng)一個對象的相對速度接近光速。綜上所述，重大影響愛因斯坦的基本理論和他經(jīng)常引用的相對論公式：

可以概括如下：

• 一個目的減小的長度，相對于一個觀察者，作為該對象的增加的速度。

• 當(dāng)一個參考框架是移動的，時間間隔變短。換句話說，在或接近光速的速度移動的空間的旅客可以離開地球多年，并返回經(jīng)歷只有幾個月的時間間隔的。

• 一個移動物體隨它的速度，并作為速度接近光速的速度，質(zhì)量接近無窮大的質(zhì)量。出于這個原因，人們普遍認(rèn)為，旅行的速度比光的速度是不可能的，因為一個無限量的能量會被要求加速無限質(zhì)量。

盡管愛因斯坦的理論影響了整個物理世界，它的科學(xué)家們正在研究光有特別重要的意義。理論解釋為什么邁克爾遜 - 莫雷實驗未能產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果，阻止進(jìn)一步嚴(yán)肅的科學(xué)調(diào)查為載體介質(zhì)的性質(zhì)******。它還表明，沒有什么可以移動的速度比光在真空中的速度，這個速度是恒定的和不變的值。同時，實驗科學(xué)家繼續(xù)應(yīng)用日益精密的儀器，在光的速度正確的值為零，減少了在其測量誤差。

在十九世紀(jì)晚期，在無線電和微波技術(shù)的進(jìn)步提供了新的方法，測量光的速度。德國物理學(xué)家海因里?！?shù)婪颉ず掌澰?888年，*過200年后，羅默的開拓天體觀測，測量無線電波的速度。赫茲值接近每秒30萬公里，到達(dá)確認(rèn)詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的理論，無線電波和光兩種形式的電磁輻射。20世紀(jì)40年代和50年代期間收集其他證據(jù)，當(dāng)英國的物理學(xué)家基思·戴維Froome路易埃森的的采用無線電波和微波，分別能夠更精確地測量電磁輻射的速度。

麥克斯韋也計入定義，而不是通過測量光的速度和其他形式的電磁輻射，但通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)。麥克斯韋的理論，在他的研究試圖找到一個電和磁之間的聯(lián)系，不斷變化的電場產(chǎn)生磁場，法拉第定律的推論相反。他提出電磁波組成的組合的振蕩電場和磁場波，這些波的速度計算通過空間：

其中，ε是介電常數(shù)，μ是自由空間的磁導(dǎo)率，具有相對高的精確度，可以測量兩個常數(shù)。其結(jié)果是一個值，該值接近的光測得的速度。

1891年，邁克爾遜光的速度和天文學(xué)上繼續(xù)他的學(xué)業(yè)，創(chuàng)建了一個大規(guī)模的干涉使用折射望遠(yuǎn)鏡利克天文臺在加利福尼亞州。根據(jù)他的觀察，觀看遠(yuǎn)處的物體，如星星，可以定量分析測量天體的大小和光的速度時，光的到達(dá)時間延遲。近30年后，邁克爾遜搬到他的實驗威爾遜山天文臺，100英寸的望遠(yuǎn)鏡，在當(dāng)時世界上*大的應(yīng)用相同的技術(shù)。

通過將一個八角形的旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)入他的實驗設(shè)計，邁克爾遜到達(dá)光的速度每秒299845公里值。雖然邁克爾遜去世前完成了他的實驗，他的同事弗朗西斯·皮斯在威爾遜山，繼續(xù)采用創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行研究，到20世紀(jì)30年代。皮斯使用修改后的干涉，幾年來多次測量，終于下定決心，正確的值光速是299774公里，每秒達(dá)到該日期*接近的測量。幾年后，在1941年，科學(xué)界設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，以光的速度。此值時，每秒299773公里，是基于在編譯期間從*精確的測量。圖6展示了過去200年，光速測量的圖形表示。

到20世紀(jì)60年代末，激光成為高度定義的頻率和波長的穩(wěn)定的研究工具。它迅速成為明顯，同時測量的頻率和波長的光的速度產(chǎn)生一個非常精確的值，類似的實驗方法使用微波爐在1958年開展的基思·戴維Froome。在美國和其他國家的幾個研究小組來自碘穩(wěn)頻氦氖激光測得的633納米線的頻率，并得到高度精確的結(jié)果。1972年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所采用激光技術(shù)來衡量的速度每秒299,792,458公尺（186282英里每秒），*終導(dǎo)致在儀表重新定義為光速的速度通過一個高度精確的估計。

羅默1676突破性的努力，開始以光的速度已至少有163次測量*過100調(diào)查（見表1匯編的方法，研究者和日期）利用多種不同的技術(shù)。隨著科學(xué)的方法和設(shè)備精制而成，估計誤差限制縮小，但以光的速度并沒有顯著改變，因為羅默的十七世紀(jì)的計算。*后于1983年，已有300多年后的*次嘗試嚴(yán)重的測量，光的速度被定義為299,792.458公里每秒第十七一般國會度量衡。因此，米的距離的光被定義為1/299的時間間隔期間，792458秒。然而，在一般情況下，光的速度（甚至在很多科學(xué)計算）四舍五入每秒300,000公里（或186000英里）。到達(dá)光速的標(biāo)準(zhǔn)值，重要的是建立國際單位制，使來自世界各地的科學(xué)家，他們的數(shù)據(jù)和計算進(jìn)行比較。

有證據(jù)是否存在，光的速度已經(jīng)放緩，因為宇宙大爆炸的時間時，它可能已經(jīng)移動速度明顯加快，一些研究者建議，溫和的爭論。雖然論據(jù)反駁延續(xù)這種辯論，大多數(shù)科學(xué)家仍然爭辯說，光的速度是一個常數(shù)。物理學(xué)家指出，羅默和他的追隨者的實際測量光速并沒有顯著改變，但頗有點完善了一系列相關(guān)的科學(xué)儀器與精密的測量，用于建立以光的速度增加。今天，木星和地球之間的距離是已知的具有高的精確度，因為是太陽系行星的軌道的直徑。當(dāng)研究人員把這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于返修過去幾個世紀(jì)的計算，他們得到的值與更加現(xiàn)代和*的儀器獲得的光的速度。