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在光学世界里 §第一节 伽利略为何失败

失败者乃成功之母。前人成功的经验,给后人树立了指向胜利的路标;失败的教训,给后人铺平了坑洼不平的路面。因此,在科学研究上,无论是成功还是失败,都是对人类的伟大贡献。伽利略就是这样……

在十六世纪以前,人们对光的认识还很不充分,认为光从光源一发出,同时也就照亮了物体,光的传播是不需要时间的。其实不然,只不过由于光跑得太快,在一般情况下,人们觉察不出来罢了。随着人类认识和科学技术手段的发展,人们逐渐认识到这种看法是不对的,于是,开始试着去测定光的速度。

意大利物理学家伽利略是第一个尝试着测定光速的人。1607年的一天傍晚,伽利略和他的助手,各带一盏灯和计时器,分别到达两座相距很远的山头上。测定工作一开始,伽利略先迅速取下灯罩,给他的助手发出信号,并记下起始时刻;他的助手在另一座山头上看见他发的信号后,随即迅速取下灯罩,给他发回信号,他看见助手发回的信号时立即记下终止时间。因此,光在两座山头之间的往返,根据事先测定好的两座山头之间的距离和光在两座山头之间的往返时间,就可以算出光的速度了。但是,伽利略的实验失败了,光速没有能计算出来。因为光的速度太快了,他们不知道光在1秒钟里就能绕地球赤道跑7.5圈,两座山头之间的距离和地球赤道长度相比不是太短了吗?伽利略所选定的两座山头之间的距离约为1.5公里,现在算来,光往返于这两座山头之17,只需十万分之一秒!这十万分之一秒,人的感觉是觉察不出来的,一般的计时器也远远达不到这样的精确度,何况象他那样测量,取下灯罩和计时等动作又远远超过了这个时间呢。

伽利略的光速测定失败了,但是,却给人们以宝贵的启示——光的速度极大,要测定出光速来,必须在非常非常大的空间距离中进行测定工作,或者采取某种特殊的实验装置来测定,否则是不能成功的。继伽利略之后,许多科学家循着这两个方向进行探索,又做了一些新的光速测定,果然获得了成功。

丹麦天文学家罗麦是第一个采用长距离空间测定光速而获得成功的人。1676年,他通过观测木星的几个卫星来测定光的速度,这样,光所经过的路程要比伽利略的方法大得多得多了。地球和木星分别绕太阳公转,地球和木星都各有自己的卫星。当木星的一个卫星进入自己的本影中时,木星的这颗“小月亮”便周期地发生“月蚀”现象,而“小月亮”每两次“月蚀”的时间间隔,即“小月亮”绕木星一周所经历的时间,应当是相等的。但是,罗麦观测的结果,两次“月蚀”时间间隔却是不相等的。罗麦测出了两次“月蚀”的平均时间。他发现:当地球和木星在太阳的同一侧时,观测木星的“月蚀”,比平均时间提前了约11分钟;而当地球和木星分居于太阳的两侧时,观测木星的“月蚀”,却比平均时间延迟了约11分钟。这样,在太阳两侧观测木星的卫星“月蚀”,时间相差22分钟,这是怎么回事呢?原来,来自木星的光线在地球和木星分居时多通过了地球绕太阳公转轨道的直径这样一段长距离。罗麦设定这段距离为2.9×108千米,这样就算出了光的速度2.2×108米/秒。由于当时的天文学还未能准确测出地球轨道直径和光通过这段距离所用的时间,那时候的时钟的准确性也不高,因而他所测得的光速数值偏低一些。但考虑到当时的技术条件,罗麦的工作成就却是对人类的一个伟大贡献,他给人们提供了一个有力的证据:光速是有限的,而且是可以测定出来的。后来,人们对他的测定误差作了修正,采用同样的方法去测定光速,得到的结果是这样一个数值:3.01×108米/秒。

法国物理学家斐索是第一个采用实验装置测定光速而获得成功的人。1849年,斐索在地面上相当短的距离内,采用了一种非常巧妙的方法,对光速进行了实际测定。他测定光速方法的示意图。在这个实验装置中,有一个转动速度可连续调整的齿轮。从光源发出的光束,经倾斜放置的半透半反射镜反射后,穿过齿轮的一个齿间空隙,投射到与齿轮相距8633米外的平面镜上,然后依原路反射回来,并经过原来的齿间空隙进入观察者的眼睛里。让齿轮转动起来,开始时,眼睛还能够看见灯光,当齿轮转速增大时,穿过齿轮空隙射到平面镜上的光反射回来后刚好被齿轮上空隙旁的齿所挡住,这时观察者看不见反射回来的灯光。如果将齿轮转速继续增大,齿轮正好转过一个齿,反射回来的光再穿过下一个齿间空隙而达到观察者的眼睛里。这样,在这段时间里,光已经经过了2×8633=17266(米)路程,因而观察者重新看见了灯光。斐索设计的齿轮有720齿,转速增大到25.2转/秒时,第一次重新看见灯光。

在这段时间里通过17266米路程,显然,斐索的方法既简单又巧妙,这种方法被称为遮光法。

在斐索的启示下,后来,许多物理学家继续改进测定光速的实验方法,使测定光速的精度不断提高。例如,1862年,法国科学家傅科发明的转镜法,采取一面高速旋转的反射镜,代替斐索的齿轮,用以遮断光束,测得的光速值为2.98×108米/秒。

特别应当介绍的是,美国实验物理学家迈克耳逊进行的一系列光速测定实验。他不断改进方法,提高测量精度,历时50余年。他的整个实验装置分别安装在两座大山顶上,这两座大山之间的距离已由美国海岸大地测量局测定。在威尔逊山顶上装有:强光源、电动旋转八面镜、望远镜、直径60厘米的大凹面镜。在相距35.4公里远处的圣安东尼山顶上装有一块平面镜。在实验过程中,从强光源发出的光,照射到八面镜的镜面1上,此时八面镜是静止的,光被反射而达到凹面镜,又被凹面镜反射而达到圣安东尼山顶上的平面镜,再被反射回凹面镜,最后被反射回到八面镜的另一镜面3上。调节望远镜,恰好能接收到从八面镜的镜面3反射来的光束,从望远镜中观察到反射来的光束,则实验装置就调整好了。这时,让电机驱动八面镜旋转起来,原来从望远镜里看见的光束立即消失了。这是因为,强光源发出的光经镜面、凹面镜、平面镜反射回到八面镜时,八面镜的镜面3已经转过去一个角度,原来能够经过镜面3反射而进入望远镜筒的光束,失去了“良机”,现在已不再能够准确地射入镜筒里。继续加快电机转速,当八面镜旋转到某一转速时,从镜面反射出去的光束,又经过如上所述的一系列镜面的反射,回到八面镜上来的时候,八面镜恰好已转过去,此时镜面2转到了原来静止时镜面3所处的位置上,这样,回来的光束经镜面2反射,又能够准确地进入到望远镜筒里来了,于是,观察者又能够从望远镜里看见光源的光了。从电机的转速可知八面镜转过所经历的时间,而两座大山的山头之间距离是已知的,迈克耳逊根据这段时间和两山距离就算出了光在空气中的速度。

迈克耳逊这种光速测定方法,实际上是对斐索实验装置的改进,把齿轮法和转镜法结合起来,用一个旋转的正八面钢质棱镜代替了齿隙的作用。

从伽利略到迈克耳逊,科学家们在光速测定方面孜孜不卷地工作,使光速的测定数值精度不断提高。但是,由于条件所限,结果还不理想。

现代科学技术的发展,为精确测定光速提供了有效的方法。我们知道,光的波长就是光波在一个振动周期内传播的距离,而光波的频率则为1秒钟内有多少周期振动的次数,因此,1秒钟里光波传播的距离光速激光的波长和频率是十分稳定的,科学家们精确地测定出稳频的氦一氖激光器的激光的波长和频率,而由两者相乘得出了光速的准确数值,其精度比以往的方法提高了几百倍。

现在,真空中光速的较精确的测定值通常,光在真空中的传播速度取为每秒30万公里。光在空气中的传播速度略小,因为差得很少,一般也就取为每秒30万公里。光在其它媒质里的传播速度都比在真空中的传播速度小。光在真空中的传播速度,是一个极重要的物理常数,它涉及到很多方面,不少理论和计算公式都要用到这个值,因此,科学家们还在不断地完善测定手段,光速测定的结果也将越来越精确。