設為首頁 | 添加收藏 |sitemap |百度地圖 |
貨真價實 坦誠無欺
新聞資訊

奧林巴斯顯微鏡:光速是多少?

2013-10-16  發布者:admin 

在外層空間的某個地方,數十億光年,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,無線電波從就職現場情節露西顯示廣播首屈一指的深空某處,雖然大大減少幅度。

lightspeedfigure1

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

行進的光在均勻的物質,或介質,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事實是不是原子時代,甚至是文藝複興時期的產物,但最初是古希臘學者,歐幾裏德,某處公元前350年左右在他的裏程碑式的論文光學推廣然而,光的強度(和其他電磁輻射)行進的距離的平方成反比。因此,在光的足跡給定的距離的兩倍,由四個因素的強度下降。

當通過空氣傳播的光進入不同的介質,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30萬公裏,但它會減慢至225,000公裏每秒在水中(折射率為1.3,參見圖2)和20萬公裏每秒在玻璃(折射率指數為1.5)。鑽石,具有相當高的折射率為2.4,光的速度被降低到一個相對的抓取(125,000公裏每秒),其在真空中的最大速度小於約60%。

由於巨大的外星係之間的空間(見圖1),光在銀河係內恒星之間的遼闊公裏沒有測量,而是光年的旅程,遠近光旅行的一年。一光年等於95000億公裏,或約5.9萬億英裏。到下一個最近的恒星半人馬座比鄰星超出了AG亚游集团的太陽,距離地球約4.24光年。相比之下,估計銀河係的直徑約15萬光年,和仙女座星係的距離是約221萬光年。這意味著離開仙女座星係的光221萬年以前剛剛到達地球,除非它被伏擊反映天體或折射碎片。

lightspeedfigure2

當天文學家凝視夜空,他們觀察實時的混合物,最近,和古老的曆史。例如,期間描述開拓巴比倫人,阿拉伯占星家,希臘天文學家的恒星星座,天蠍座天蠍座占星家)仍然有鞭尾的蠍子。這個星座尾星等人在曾出現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,仍然達到了人類的眼睛和望遠鏡。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。

第一記錄哲學家恩培多克勒,誰住Acragas公元前450年左右,是一個推測,光用有限的速度旅行。幾乎一千年後,公元525年左右,羅馬學者和數學家Anicius伯蒂烏斯的企圖記錄光的速度,但被指控叛國罪和巫術,被斬首,他的科學事業。黑火藥,煙火信號由中國最早的應用以來,男人想知道光的速度。隨著閃光燈的光與色的前幾秒鍾的爆炸聲,也沒有嚴重的計算需要認識到,光的速度明顯超過了音速。

背後的秘​​密炸藥中國向西方作出自己的方式在中間的13世紀,並與他們,來到光速的問題。在此期間,其他研究者必須考慮緊隨其後,聲聲雷鳴,典型的雷暴閃電,但沒有提供合理的科學解釋的性質,拖延。阿拉伯學者海桑是第一次嚴重的光學科學家建議(公元1000年左右),光有一個有限的速度,公元1250年,英國光學先驅羅傑培根寫道,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科學家認為光的速度是無限的,無法衡量。

在1572年,丹麥著名天文學家第穀​​·布拉赫是第一次描述的一顆超新星,發生在仙後星座看完“新明星”突然出現在天空,慢慢地加大亮度,然後淡出超過18個月的期間,天文學家迷惑不解,但好奇。這些新天體異象開車布拉赫和他同時代的質疑廣泛舉行的概念,一個完美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,雖然有少數科學家們開始質疑光速的速度在16世紀。作為為1604年年底,德國物理學家開普勒推測,光的速度是瞬時的。他又說,他發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,理應充滿空間,並進行光。

lightspeedfigure3

望遠鏡發明和一些相對原油精煉後不久,丹麥天文學家奧勒羅默(1676)是第一位科學家作出了嚴格的嚐試估計光的速度。通過研究木星的衛星木衛一和頻繁的日食,羅默是能夠預測日食期間的周期性的月亮(圖3)。然而,幾個月後,他發現,他的預言慢慢變得不太準確逐步更長的時間間隔,達到最大的誤差為約22分鍾(一個相當大的差異,考慮如何在那段時間跨度遠光)。然後,隻是奇怪的是,他的預言再次成為在幾個月更準確,周期重演。羅默在巴黎天文台工作,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,由於行星的軌道路徑。由於木星移到遠離地球,光有一個較長的距離旅行,花更多的時間來到達地球。應用相對不準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英裏(或22萬公裏)。圖3說明了再現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界,關於無限光速,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,寫在他的裏程碑式的1687年論文哲學的“自然Prinicipia數學(自然哲學的數學原理),“因為現在某些現象,木星的衛星,由不同的天文學家的觀測證實,即光的傳播在繼承和需要大約七八分鍾,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,為在跳開始科學革命,並推出了新的研究,科學家們現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家詹姆斯·布拉德利。在1728年,牛頓去世一年後,布拉德利估計,光在真空中的速度是每秒約301,000公裏,使用恒星畸變。這些現象都表現出一個明顯的變化,由於地球繞太陽的運動的恒星的位置。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用這些數據來對地球的軌道速度,布拉德利是能夠到達一個非常準確的估計。

1834年,查爾斯惠斯通爵士的萬花筒,發明家和科幻的音效的先鋒,試圖電力的速度來衡量。惠斯通發明了一種裝置,利用旋轉的鏡子和萊頓瓶通過一個電容放電生成和時鍾的運動通過將近8英裏的電線火花。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英裏每秒的速度,一個錯誤,使他相信,電力行駛速度比光快。惠斯登電的研究後來擴大後,由法國科學家多米尼克·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。

lightspeedfigure4

與此同時,在法國,獨立的對手的科學家阿爾芒菲佐和讓 - 伯納德 - 萊昂福柯試圖測量光的速度,而不依靠天體事件,阿拉戈的發現和利用,擴大惠斯登電旋轉鏡儀器設計。在1849年,斐索設計閃過光束的一種裝置,通過一個齒輪(而不是旋轉的反射鏡),然後到5.5英裏遠的距離定位在一個固定的反射鏡。他以極快的速度旋轉的車輪,能夠引導光束通過兩個牙齒之間的縫隙向外的旅程,並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衝光,菲佐能夠計算出光的速度。他還發現了光的傳播速度在空氣中比在水中(確認阿拉戈的假說),同胞福柯事實上,後來通過實驗證實。

福柯采用壓縮空氣渦輪機來測量光速驅動快速旋轉的鏡子。在他的裝置(參見圖4),一個狹窄的光束的光通過的孔,然後通過玻璃窗口(也作為一個分束器),快速旋轉的反射鏡的影響之前,精細刻度。從紡紗鏡引導通過旨在增加儀器的路徑長度約20米的大小沒有相應增加以Z字形的電池的固定反射鏡反射的光。的時間量,它反映了光通過一係列的反射鏡,並返回到旋轉鏡,鏡中的位置發生輕微的移位。隨後,從偏移的位置的旋轉鏡子反射的光如下一個新的通路返回到源並進入安裝在儀器上的顯微鏡。光線的微小的轉變可以看出,通過顯微鏡觀察,記錄。從他的實驗中收集到的數據進行分析,福柯為298,000公裏每秒(每秒約185,000英裏),能夠計算出光的速度。

光路在福柯的設備是足夠短,以用來測量光的速度比空氣通過其他媒體。他發現,在水或玻璃光的速度在空氣中的值的大約三分之二,他還得出結論,通過給定的介質是成反比的折射率的光的速度。這種顯著的結果是關於光的行為開發了數百年前從波浪理論光的傳播與預測一致。

一名波蘭出生的美國物理學家艾伯特·邁克爾遜按照福柯的鉛,試圖以提高精度的方法,並成功地測量光的速度在1878年版本的設備以及更複雜的2,000英尺高的牆襯砌銀行英國的塞文河。投資於高品質的集中和反映一個更長的途徑比福柯利用光束的透鏡和反射鏡,邁克爾遜每秒(每秒)299909公裏186355英裏計算出最終的結果,讓可能的錯誤每秒約30英裏。由於他的實驗設計的複雜性增加,邁克爾遜的測量精度大於福柯的20倍以上。

lightspeedfigure5

在19世紀末,它仍然相信大多數科學家利用載體介質的光通過空間傳播稱為邁克爾遜科學家愛德華·莫利在1887年合作設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,他們設計的幹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,每個的長度超過10米,使用一個複雜的反射鏡陣列。邁克爾遜和莫利的理由是,如果地球行駛通過醚介質中,光束來回反射垂直於乙醚中的流動將必須移動的平行束反射到醚的比。其結果將是在一個可檢測到的光束時,光束通過幹擾複合的延遲。

邁克爾遜和莫雷的實驗裝置建成由塊狀(見圖5)。安裝在緩慢旋轉五英尺見方,14英寸厚的石板,進一步的保護,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。板坯一旦被設置成運動,達到最高時速為每小時10轉,花了幾個小時再次達到停下。通過光分束器,由所述反射鏡係統的反射,幹涉條紋用顯微鏡檢驗,但什麽都未觀察到。然而,邁克爾遜利用準確地確定光的速度每秒在186320英裏(每秒299853公裏),在未來25年為標準值,站在他的幹涉。邁克爾遜 - 莫雷實驗的故障檢測光的速度變化在運動結束醚爭論,終於入土為安由阿爾伯特·愛因斯坦的理論在20世紀初年的開端。

在1905年,愛因斯坦發表他的狹義相對論,廣義相對論在1915年。第一種理論,以恒定的速度相對於另一個物體的運動,而第二個集中在與重力的加速度及其鏈接。因為他們挑戰了許多長期存在的假設,如牛頓運動定律,愛因斯坦的理論在物理學革命的力量。相對論的思想體現的概念,才能決定一個對象的速度相對於觀察者的位置。作為一個例子,一個人走內的客機出現在參考幀中的飛機(它本身移動時每小時600英裏)在大約一英裏每小時。然而,在地麵上的觀察者,該男子似乎是在601英裏每小時的移動。

愛因斯坦在他的計算,假設光速往返兩個參照係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係的對象時出現從另一個是勻速運動,相對於第一。他的結果導致了一些不尋常的結論,雖然僅影響變得明顯,當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常引用的相對論公式:

E = MC 2

可以概括如下:

  • 一個目的減小的長度,相對於一個觀察者,作為該對象的增加的速度。

  • 當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,並返回經曆隻有幾個月的時間間隔的。

  • 一個移動物體隨它的速度,並作為速度接近光速的速度,質量接近無窮大的質量。出於這個原因,人們普遍認為,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量。

盡管愛因斯坦的理論影響了整個物理世界,它的科學家們正在研究光有特別重要的意義。理論解釋為什麽邁克爾遜 - 莫雷實驗未能產生預期的結果,阻止進一步嚴肅的科學調查為載體介質的性質乙醚。它還表明,沒有什麽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,實驗科學家繼續應用日益精密的儀器,在光的速度正確的值為零,減少了在其測量誤差。

測量光速
研究者 方法 估計
公裏
/秒
1667 Galileo Galilei 涵蓋燈籠 333.5
1676 Ole Roemer 木星的衛星 220,000
1726 James Bradley 恒星光行差 301,000
1834 Charles Wheatstone 旋轉鏡 402336
1838 François Arago 旋轉鏡  
1849 Armand Fizeau 旋轉輪 315,000
1862 Leon Foucault 旋轉鏡 298,000
1868 James Clerk Maxwell 理論計算 284,000
1875 Marie-Alfred Cornu 旋轉鏡 299,990
1879 Albert Michelson 旋轉鏡 299,910
1888 Heinrich Rudolf Hertz 電磁輻射 300000
1889 Edward Bennett Rosa 電氣測量 300000
1890s Henry Rowland 光譜 301,800
1907 Edward Bennett Rosa and Noah Dorsey 電氣測量 299788
1923 Andre Mercier 電氣測量 299795
1926 Albert Michelson 旋轉鏡(幹涉) 299798
1928 August Karolus and Otto Mittelstaedt 克爾細胞快門的 299,778
1932年至1935年 Michelson and Pease 旋轉鏡(幹涉) 299774
1947 Louis Essen 諧振腔 299,792
1949 Carl I. Aslakson 肖蘭雷達 299,792.4
1951 Keith Davy Froome 射電幹涉儀 299,792.75
1973 Kenneth M. Evenson 激光 299,792.457
1978 Peter Woods and Colleagues 激光 299,792.4588
表1

在十九世紀晚期,在無線電和微波技術的進步提供了新的方法,測量光的速度。德國物理學家海因裏希·魯道夫·赫茲在1888年,超過200年後,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30萬公裏,到達確認詹姆斯·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40年代和50年代期間收集其他證據,當英國的物理學家基思·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,但通過數學推導。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係,不斷變化的電場產生磁場,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:

速度(V)= 1 /(ε•μ)1/2

其中,ε介電常數μ自由空間磁導率,具有相對高的精確度,可以測量兩個常數。其結果是一個值,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上繼續他的學業,創建了一個大規模的幹涉使用折射望遠鏡利克天文台在加利福尼亞州。根據他的觀察,觀看遠處的物體,如星星,可以定量分析測量天體的大小和光的速度時,光的到達時間延遲。近30年後,邁克爾遜搬到他的實驗威爾遜山天文台,100英寸的望遠鏡,在當時世界上最大的應用相同的技術。

通過將一個八角形的旋轉鏡進入他的實驗設計,邁克爾遜到達光的速度每秒299845公裏值。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,繼續采用創新技術進行研究,到20世紀30年代。皮斯使用修改後的幹涉,幾年來多次測量,終於下定決心,正確的值光速是299774公裏,每秒達到該日期最接近的測量。幾年後,在1941年,科學界設定的標準,以光的速度。此值時,每秒299773公裏,是基於在編譯期間從最精確的測量。圖6展示了過去200年,光速測量的圖形表示。

lightspeedfigure6

到20世紀60年代末,激光成為高度定義的頻率和波長的穩定的研究工具。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頻氦氖激光測得的633納米線的頻率,並得到高度精確的結果。1972年,美國國家標準與技術研究所采用激光技術來衡量的速度每秒299,792,458公尺(186282英裏每秒),最終導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次測量超過100調查(見表1匯編的方法,研究者和日期)利用多種不同的技術。隨著科學的方法和設備精製而成,估計誤差限製縮小,但以光的速度並沒有顯著改變,因為羅默的十七世紀的計算。最後於1983年,已有300多年後的第一次嚐試嚴重的測量,光的速度被定義為299,792.458公裏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(甚至在很多科學計算)四舍五入每秒300,000公裏(或186000英裏)。到達光速的標準值,重要的是建立國際單位製,使來自世界各地的科學家,他們的數據和計算進行比較。

有證據是否存在,光的速度已經放緩,因為宇宙大爆炸的時間時,它可能已經移動速度明顯加快,一些研究者建議,溫和的爭論。雖然論據反駁延續這種辯論,大多數科學家仍然爭辯說,光的速度是一個常數。物理學家指出,羅默和他的追隨者的實際測量光​​速並沒有顯著改變,但頗有點完善了一係列相關的科學儀器與精密的測量,用於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,因為是太陽係行星的軌道的直徑。當研究人員把這些數據應用於返修過去幾個世紀的計算,他們得到的值與更加現代和先進的儀器獲得的光的速度。



滬公網安備 31011202003519號