光速是怎么测量的?为什么叫光速而不叫电磁波速?

为什么叫光速

光这个字本身指的就是可见光,因为这是一个已经被创造出来几千年的字,在古时候根本没有人知道存在不可见的电磁波这玩意儿。

不过从麦克斯韦发表他的电磁理论开始,我们肉眼可见的光就被认为是电磁波,因为它的速度跟理论计算的电磁波速度惊人一致,很快这个猜测就被确认。

到现在我们知道,包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽玛射线在内的不同频率的波全是电磁波。那么光速为什么不叫电磁波速呢?

这是因为一直以来,科学家测量光速都是通过测量可见光获得的,无论是最早的掩星法,后来的齿轮法,直到现在使用了干涉测量法,依然用的是可见光,所以我们叫它光速其实挺形象的。

光速的测量

事实上人类首次测量光速时并不知道电磁波的存在。据记载最早测量光速的是伽利略,他通过在两个山头用两个油灯做信号灯,用遮挡作为信号来测量光速,不过这个方法其实根本无法测量出光速,因为相对于人的反应和动作,光速实在太快了。所以伽利略的光速测量实验是一次失败的实验。

后来,丹麦天文学者奥勒·罗默通过伽利略发现的木星几颗卫星(即伽利略卫星),利用掩星法进行测量出光速至少22万公里每秒,现在看来误差虽然有点大,但这可能是由于当时的一些诸如木星轨道参数和距离等原始数据误差所造成的,因此一般认为这是人类第一次较为精确的测量出光速,而这方法所用的依然是可见光。

光速不变是怎么发现的

在麦克斯韦发表他的电磁理论以后,确定了光是一种电磁波,人们就想知道这种电磁波的介质是什么。因为大家都知道波是需要介质才能传播的,比如水波需要水作为介质传播,声波需要空气作为介质传播,那么光波(电磁波)通过什么介质传播呢?科学家给它假设了一种称为以太的介质。科学家想通过对不同方向上的光速进行精确测量来证明以太的存在。实验物理学家迈克尔逊发明了一种巧妙的方法——光干涉法来测量不同方向上的光速。实验的光源当然毫无疑问依然是可见光。后来,迈克尔逊和莫雷在通过干涉法进行的光速测量实验中发现光速在各个方向上是完全一致的。

?目前根据异常精密的实验证明,光速具有各向不变的特性。这是迈克耳逊-莫雷实验首先证实的,后来经爱因斯坦确定光速为真空不变,并以此创立狭义相对论对其给出科学的解释。

到现在,一百多年过去了,光速不变已经基本成为一条定理了。目前人类最精密的光速测量仪器是LIGO的激光干涉引力波天文台,一对长达4公里互相垂直的真空管道里,光往返数次后投射到记录屏上,只要两个方向上的光在一个光行周期内行进距离产生一个质子的千分之一变化,记录仪器就会记录下来,从而发现不同方向上的光速变化,而LIGO运行多年除了一些已知的“噪声”干扰和引力波信号,并未发现持续性的光速异常变化。