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光学基础-光速

在外层空间的某处，数十亿光年，从地球与宇宙大爆炸有关的原始光开辟新的天地，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，首届露西显示的生活情节来自地球上的无线电波广播总理某处深空，虽然大大减少幅度。

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），科学家们彻底检查，现在已经是一个恒定值方程表示的符号C.表示不是真正的常数，而是在真空中的最高速度，光的速度，几乎是每秒30万公里，可以操纵媒体或通过改变量子干涉。

光在一个统一的物质，或中等旅游，在一个相对恒定的的速度在一条直线传播，除非它是折射，反射，衍射，或以其他方式的困扰。这口井建立了科学事实并非原子时代，甚至文艺复兴时期的产物，但最初是由古希腊学者，欧几里德，大约公元前350年，在他的具有里程碑意义的论文光学的推动。然而，光的强度（和其他的电磁辐射）的行驶距离的平方成反比。因此，在光走过两次给定的距离，强度下降由四个因素。

当光线穿过空气进入不同的介质，如玻璃或水，减少的速度和光的波长（见图2），虽然频率保持不变。光在真空中，它有一个1.0折射率约每秒30万公里，但它减慢至225,000公里每秒在水中（折射率为1.3;见图2）玻璃和每秒200,000公里（屈光指数为1.5）。钻石，一个相当高的折射率为2.4，以光的速度降低到一个相对抓取（125,000公里每秒），比其在真空中的最高速度低60％左右。

由于在外层空间的星系之间（见图1），银河系内的光传播，是测量恒星之间的辽阔不在公里，但相当轻年的巨大的行程，远近光在一年的旅行。一光年等于9.5万亿公里，或约5.9万亿英里。到下一个最近的超出我们的太阳，半人马座比邻星距离地球约4.24光年。相比较而言，估计银河系是直径约15万光年，和仙女座星系之间的距离是大约221万光年。这意味着，221万年前离开仙女座星系的光到达地球，除非它是反映天体或碎片折射拦路抢劫。

当天文学家凝视夜空，他们观测的实时，最近，和古老的历史的混合物。例如，在此期间，开拓巴比伦人，阿拉伯占星家，希腊天文学家描述恒星的星座，天蝎座（天蝎座占星家）仍然whiptail用蝎子。尾巴的明星，并在这个星座的人已经出现在500至公元前1000年的天空的新星，但不再可见今天的观赏流星。虽然一些在地球的夜空中观察到的恒星的光波进行自己的形象早已灭亡，仍然达到人类的眼睛和望远镜。实际上，从他们的破坏（和其缺席的情况下的黑暗）没有尚未越过深空的巨大距离，因为没有足够的时间。

恩培多克勒的Acragas，公元前450年左右的生活，是第一次记录到的哲学家之一推测，光与有限的速度旅行。近千年后，大约525 AD，罗马学者和数学家Anicius波爱修斯文件试图以光的速度，但被指控叛国罪和巫术后，他的科学事业断头。由于黑火药的最早由中国烟花和信号的应用，男人想知道的光速。随着闪光灯的光与色的前几秒钟的爆炸声，它并不需要一个严重的计算来实现，以光的速度显然超过了音速。

在透明材料中的光速

探索以光的速度是如何减少的比例，当光线进入一个新的透明介质，如空气，水或玻璃材料折射率。

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炸药背后的中国秘密向西方作出了他们的方式，在十三世纪中叶，并与他们，来到了光速的问题。在此期间，必须有其他研究者认为闪电尾随其后的炸雷，一场雷阵雨的典型，但没有提供合理的科学解释延迟的性质。阿拉伯学者Alhazen是第一个严重的光学科学家建议，光有一个有限的速度（约公元1000年），由1250 AD，英国光学先驱罗杰培根写道，以光的速度是有限的，但非常迅速，尽管如此，大多数科学家的广泛意见，在此期间，以光的速度是无限的，无法衡量。

1572年，著名的丹麦天文学家第谷布拉赫是第一次描述一颗超新星，其中发生在仙后座。观看“新明星”后突然出现在天空，慢慢加强亮度，然后淡出超过18个月的时间内，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一个完美的和不变的宇宙有无限光明的速度广泛举行的概念提出质疑。相信，光有无限的速度，是难以取代的，虽然一些科学家开始质疑以光的速度在十六世纪。作为1604年底，德国物理学家开普勒推测，光的速度是瞬间的。他补充说，他发表的笔记空间的真空没有减慢光速下降，阻碍，在有限的程度，他同时代的追求，据说填补空间，并进行光醚。

望远镜的发明和一些相对原油精炼后不久，丹麦天文学家OLE罗默（1676年）是第一个科学家作出了严格的尝试估计光速。通过研究木星的卫星木卫一和频繁月食，罗默是能够预测周期的月食期间月球（图3）。然而，几个月后，他发现，他的预言被慢慢变得不太准确逐渐较长的时间间隔，达到了约22分钟的最大的错误（一个相当大的差异，考虑到光传播多远，时间跨度）。然后，就像奇怪的是，他的预言再次成为在几个月内更准确，周期重演。在巴黎天文台的工作，罗默很快意识到所观察到的差异造成的，在地球和木星之间的距离变化，由于行星轨道的途径。木星从地球上消失，光有一个较长距离的旅行，花更多的时间到达地球。罗默应用相对不准确的计算，地球和木星期间之间的距离，能够估计以光的速度约每秒137,000英里（220,000公里）。图3说明了罗默划定利用他的方法来确定光速的原始图纸的复制品。

罗默的工作激起了科​​学界，许多研究者开始重新考虑他们的猜测，关于无限的光的速度。艾萨克牛顿爵士，例如，写在他具有里程碑意义的1687论文哲学的Naturalis Prinicipia数学（自然哲学的数学原理），“对于它是现在某些来自木星的卫星现象，不同的天文学家的观察所证实，，光线是传播在继承和需要约七八分钟，从太阳到地球“，这实际上是一种光的正确的速度非常接近的估计。牛顿的尊重民意和广泛的赞誉，在跳开始的科学革命，并帮助科学家赞同有限光的速度推出新的研究。

行中的下一个光速提供了有益的估计是英国物理学家詹姆斯布拉德利。于1728年，牛顿去世一年后，布拉德利估计的光在真空中的速度是每秒约301000公里，采用一流的畸变。这些现象表现在由于地球绕太阳运动的恒星位置的明显变化。恒星像差的程度可以决定从地球的轨道速度比光的速度。通过测量恒星的像差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。

万花筒的发明者和健全科学的先驱，1834年，查尔斯惠斯通爵士，试图来衡量电力的速度。惠斯登电发明了一种装置，利用转动的镜子和库容排放通过莱顿瓶，通过近8英里的电线火花运动产生和时钟。不幸的是，他的计算（也许他的仪器）错误到这种程度，惠斯登电估计在每秒288000英里的速度，电力，一个错误，这使他相信，电力旅行比光还快。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让阿拉戈。虽然他未能完成他的工作，在1850年之前，他的视力失败，阿拉戈正确的推测，光在水中游比空气慢。

与此同时，在法国，独立阿尔芒斐索和让 – 伯纳德 – 莱昂福柯对手科学家尝试测量光速，不依靠天体事件，优势阿拉戈的发现和扩大惠斯登电镜仪器设计的旋转。 1849年，斐索设计一种装置，通过齿轮（而不是一个旋转镜）闪现光束，然后到位于5.5英里远的距离的一个固定的镜子。他以极快的速度旋转的车轮，能够指导的光束通过一个向外的旅程两个牙齿之间的差距，并在邻近的差距在回来的路上赶上反射射线。武装轮脉冲光的速度和行驶距离，斐索能够计算出光速。他还发现，光在空气中传播速度比在水中（确认阿拉戈的假说），其实同胞福柯后来通过实验证实。

福柯雇一个迅速旋转的镜子，压缩的空气涡轮机驱动的测量光速。在他的仪器（见图4），窄波束的光通过光圈，然后通过玻璃窗与精细的刻度（也作为分光镜）之前，快速旋转的镜子上的影响。反射的光线从纺纱镜是通过一个固定的镜子电池的指示，在没有相应增加，在规模，旨在提高仪器的路径长度约20米，以Z字形。的时间了光，以反映通过一系列的镜子，并返回到旋转镜，镜中的位置略有变化发生了。随后，反射的光线从纺纱镜转向位置如下一个新的途径回源，并在仪器上安装一个显微镜。在光线的微小的转变可以通过显微镜看到并记录。福柯是从他的实验收集的数据进行分析，可以计算出光速为每秒298,000公里（每秒约185,000公里）。

在福柯的设备的光路是足够短，在测量光的速度比空气通过媒体利用。他发现，在水或玻璃的光的速度只有大约三分之二的在空气中的价值，他还得出结论，通过一个给定的介质，光的速度是成反比的折射率的。这个了不起的结果是一致的，关于光的行为的预测从光传播的波理论发展早数百年。

福柯的带领下，波兰出生的美国物理学家阿尔伯特答：迈克尔逊试图提高该方法的准确性，并成功地测量光速的仪器更先进的版本沿2000英尺高的墙衬砌银行于1878年英国的塞文河。投资在高品质的透镜和反射镜的焦点，反映了光比福柯利用一个更长的途径梁，迈克尔逊计算出每秒186355英里（299909公里每秒）的最终结果，从而为可能出现的错误约每秒30公里。由于他的实验设计的复杂性增加，迈克尔逊测量精度比福柯的更大的20倍以上。

在19世纪末，它仍然相信大多数的科学家认为，通过光的传播空间，利用载体介质被称为乙醚。迈克尔逊在1887年合作制定一个观察光速的相对变化，作为地球完成围绕太阳运行的轨道检测乙醚的实验方法与科学家爱德华莫利。为了实现这一目标，他们设计了一个分割光束的干涉，并重新定向单独的波束，通过两种不同的途径，每个长度超过10米，采用一系列复杂的镜子。迈克尔逊和莫雷的理由是，如果地球通过以太介质传播，光束来回反射垂直流乙醚将前往比反映束平行乙醚更远。其结果将是一个在光束可以被检测到，当光束通过干扰重组延迟。

迈克尔逊和莫雷的实验仪器是巨大的（见图5）。上一个缓慢旋转超过五英尺见方，厚14英寸的石板上，进一步受汞底层的池，作为摩擦减震器采取行动以消除从地球的振动仪器。一旦被设置成板坯的议案，实现最高时速可达每小时10转，花了几个小时达到再次暂停。光通过分光镜，镜像系统，干涉条纹显微镜检查，但都未观察。然而，迈克尔逊利用他的干涉，准确地确定在十八万六千三百二英里每秒（每秒299853公里），价值为标准，在未来25年内，以光的速度。故障检测改变光速在运动中的迈克尔逊 – 莫雷实验设置结束醚的争议，终于奠定了爱因斯坦的理论在二十世纪初休息的开端。

1905年，爱因斯坦发表他的狭义相对论理论，相对论在1915年的一般理论。第一个理论涉及到另一个相对恒定的速度运动的物体，而第二个重点是加速度和重力的联系。因为他们的挑战，如牛顿的运动规律，许多长期存在的假说的，爱因斯坦的理论，在物理学的革命力量。相对论的思想，体现了对象的速度才能确定观察者的位置相对的概念。作为一个例子，一个人走一架客机内出现在约一英里每小时行驶在飞机的参照系（这本身就是在每小时600英里的移动）。然而，在地面上的观察者，该名男子似乎是在每小时601英里的移动。

爱因斯坦假设的两个参考帧之间轻装上阵的速度仍然在他的计算，在这两个位置的观察员相同。因为在一帧的观察员利用光来确定对象的另一个框架中的地位和速度，这改变了方式，在观察者与对象的位置和速度。爱因斯坦采用这个概念，推导出几个重要的公式描述如何在一个参照系的对象出现时，从另一个是匀速运动，相对于第一。他的研究结果导致一些不寻常的结论，虽然效果只能成为引人注目的对象的相对速度接近光速时。总之，爱因斯坦的基本理论和他经常引用的相对论方程的重大影响：

E = MC2

可归纳如下：

一个对象跌幅的长度，相对观察员，作为该对象的增加速度。

当一个参照系，时间间隔越来越短。换句话说，达到或接近光速的速度移动的太空旅行者可以离开地球多年，并返回在经历了一个只有几个月时间的推移。

一个移动对象的增加，​​其速度和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，它被广泛认为是不可能的旅行比光速更快，因为一个无限量的能源将被要求加速无限的质量。

虽然爱因斯坦的理论影响了整个世界的物理学，它为研究光的科学家，特别是具有重要意义。该理论解释了为什么迈克尔逊 – 莫雷实验未能产生预期的效果，阻碍乙醚作为载体介质的性质进一步严肃认真的科学调查。它还表明，没有什么可以比光在真空中的速度移动得更快，速度，这是一个恒定不变的价值。同时，实验的科学家继续申请日益精密的仪器，以零为光速的正确值，并减少其测量误差。

测量光的速度

在十九世纪末期，在无线电和微波技术的进步提供了新方法，用于测量光速。罗默的开创性的天体观测超过200年后，1888年，德国物理学家海因里希鲁道夫赫兹测量无线电波的速度。赫兹到达接近每秒30万公里的价值，证实了麦克斯韦的理论，无线电波和光的电磁辐射两种形式。进一步证明了在20世纪40年代和50年代，当英国物理学家基思戴维Froome和路易埃森就业电台和微波炉，分别收集，更精确地测量电磁辐射的速度。

麦克斯韦也记定义和其他形式的电磁辐射，而不是通过测量光的速度，但通过数学推导。在他的研究试图寻找电和磁之间的联系，麦克斯韦的理论认为，一个不断变化的电场产生磁场，法拉第定律的反向推论。他提出的电磁波组成的联合振荡的电场和磁场波，这些波的速度通过​​空间作为计算：

风速（V）= 1 /（ε•μ）1 / 2

其中ε是介电常数和μ是自由空间的通透性，可以测量的准确度比较高的常量。结果是一个值，该值接近光的测量速度。

1891年，迈克尔逊上的光的速度和天文学继续他的研究，创建一个大型干涉仪使用在加州利克天文台的折射望远镜。他的意见的基础上的光到达时，观看远处的物体，如恒星，可定量分析，以测量天体的大小和光的速度，延迟。迈克尔逊移动近30年后，他的实验，威尔逊山天文台，以及100英寸的望远镜，在当时世界上最大的应用同样的技术。

通过他的实验设计纳入一个八角形的旋转镜，迈克尔逊到达光速的价值在299845公里每秒。虽然迈克尔逊之前完成他的实验死亡，他的同事在威尔逊山，弗朗西斯G.皮斯，继续采用创新技术进入20世纪30年代进行的研究。皮斯使用修改后的干涉，在数年内取得了众多的测量，终于下定决心，正确的值是光速二九九七七四公里每秒，达到该日期最接近的测量。事隔多年，在1941年，科学界成立了以光的速度标准。此值，每秒299773公里，是基于从这一时期的最精确的测量汇编。图6展示了一个在过去200多年的光速测量的图形表示。

到20世纪60年代末，激光成为高度定义的频率和波长稳定的研究工具。它迅速成为明显的，同时测量频率和波长会产生一个以光的速度非常准确的价值，类似的实验方法，使用微波炉在1958年由Keith戴维Froome。几个研究小组在美国和其他国家的碘稳频氦氖激光测量633纳米线的频率，并得到了高度精确的结果。 1972年，国家标准与技术研究所采用激光技术测量速度299792458米每秒（每秒186282英里），这最终导致在仪表通过重新界定为光速的高度准确的估计。

与罗默的1676突破的努力，开始测量光速的速度已至少有163次超过100调查（见编制方法，调查和日期表1）利用多种不同的技术。随着科学的方法和设备进行了细化，估计错误限制缩小，虽然自罗默的十七世纪的计算光速的速度并没有显着改变。最后，在1983年，已有300多年后的第一个严重的测量尝试，以光的速度被定义为299,792.458公里每秒度量衡大会第十七次全国代表大会。因此，米被定义为旅行期间的1 / 299七九二四五八秒的时间间隔，远近光。然而，在一般情况下，（甚至在许多科学计算），以光的速度是每秒30万公里（186,000英里），四舍五入到。到达一个以光的速度标准值是建立一个国际体系，使来自世界各地的科学家，比较他们的数据和计算的单位具有重要意义。

有较轻微争议的证据是否存在，光的速度已经放缓自宇宙大爆炸的时间时，它可能有移动速度明显加快，一些研究者建议。虽然论点提出反驳延续这次辩论，大多数科学家仍然以光的速度是一个常数。物理学家指出，罗默和他的追随者测量光的实际速度并没有显着改变，而是指向了一系列改进与用来建立光速的测量精度增加相关的科学仪器。今天，木星和地球之间的距离是已知的高精确度，是太阳系行星的直径和轨道。当研究人员把这些数据应用于返工过去几个世纪的计算，推导出光的速度与更现代化和先进的仪器获得的值。

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